А. И. Акишин, Л. С. Новиков. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов

А39 Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов. – М.: Знание, 1983. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия», № 4).

Процессы воздействия космической среды на материалы спутников, орбитальных и межпланетных станций определяют такие их характеристики, как продолжительность активного существования, надежность работы и защитные функции при пилотируемых полетах. В брошюре даны современные представления об этих процессах, изучение которых обусловливает дальнейший прогресс космических исследований.

Брошюра рассчитана на всех интересующихся современными проблемами космонавтики.

С начала 70-х годов развитие космонавтики характеризуется все более широким ее проникновением в различные сферы практической деятельности человечества и использованием космической техники для решения самых разнообразных прикладных задач. Исследование природных ресурсов и метеорология, навигация и геодезия, системы связи и технология – вот далеко не полный перечень областей, в которых применяются новейшие достижения ракетно-космической техники и космического приборостроения.

В нашей стране всегда огромное внимание уделялось созданию космических систем народнохозяйственного назначения. В июле 1975 г. газета «Правда» писала в передовой статье: «...Космонавтика планомерно увеличивает свой вклад в решение народнохозяйственных задач. Неуклонно возрастает и спрос на ее «услуги» – все больше научных учреждений, предприятий, организаций и ведомств подает заявки на проведение в космосе интересующих их работ. С каждым новым полетом возрастает отдача исследований, которые проводятся на околоземных орбитах...»

Для реализации народнохозяйственных программ в нашей стране используются космические аппараты (КА) различных типов: пилотируемые долговременные орбитальные космические станции (ОКС) «Салют», искусственные спутники Земли (ИСЗ) серии «Метеор», предназначенные для метеорологических наблюдений и исследования природных ресурсов, ИСЗ серии «Молния», «Экран», «Радуга», «Горизонт» и др.

В будущем на повестке дня космонавтики встанут новые грандиозные проекты, такие, например, как создание солнечных космических электростанций мощностью 5 – 10 ГВт, площадь солнечных батарей которых составит десятки квадратных километров, а масса десятки тысяч тонн, монтаж на околоземных орбитах производственно-технологических комплексов и уникальных по своим возможностям радиоастрономических обсерваторий.

В условиях, когда космонавтика становится важной составной частью хозяйственного механизма, особое значение приобретают вопросы рентабельности и экономической эффективности использования космической техники. Учитывая, что стоимость эксплуатации КА во много раз ниже стоимости его разработки и вывода на орбиту, необходимо всемерно увеличивать срок службы КА. В настоящее время все чаще выдвигается требование, чтобы космические аппараты надежно функционировали на орбите в течение 10 лет и более, а для проектируемых солнечных электростанций с учетом колоссальных затрат? на их создание (15 – 40 млрд. долл., по оценкам зарубежных специалистов) срок службы должен составлять 20 – 30 лет.

Важнейшую роль в обеспечении длительной и безотказной работы космических аппаратов играет стойкость конструкционных материалов и элементов аппаратуры КА к воздействию внешних факторов. На КА воздействует целый комплекс факторов космической среды: глубокий вакуум, корпускулярные и электромагнитные излучения разных видов, метеороиды, невесомость и т. д. КА, предназначенные для исследования планет, и вовсе могут оказываться в весьма специфических условиях. Так, на поверхности Венеры температура достигает почти 500°С при давлении около 90 атм, на поверхности Марса КА может подвергаться воздействию пылевых бурь – потоков частиц грунта, движущихся со скоростью 30 – 100 м/с. При полете к внешним планетам Солнечной системы (Юпитеру, Сатурну) КА проходят через астероидный пояс, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Серьезную опасность для аппаратуры КА при его пролете вблизи Юпитера представляет мощный радиационный пояс планеты.

Многообразие факторов космического пространства (ФКП), воздействующих на КА, сложные энергетические спектры воздействующих корпускулярных и электромагнитных излучений, возможность воздействия ФКП в различных сочетаниях и в разной временной последовательности – все это значительно затрудняет изучение и прогнозирование поведения материалов КА в условиях космической среды. Интенсивные исследования в этой области, стимулированные запросами бурно развивающейся космической техники, привели фактически к созданию нового научного направления – космического материаловедения, в задачи которого входит экспериментальное и теоретическое изучение изменения физических свойств и эксплуатационных характеристик конструкционных материалов под действием ФКП, создание новых материалов¹, разработка средств защиты материалов и элементов аппаратуры от воздействия ФКП.

¹ Последнее часто относят к так называемой космической технологии. Однако все более распространенным становится мнение, что «такие научные направления, как «космическое материаловедение» и «космическая технология», представляют собой, по существу, единую науку о поведении материалов и способах их получения и соединения в космических условиях» (Космическое материаловедение и технология / Отв. ред. Охотин А. С. М., Наука, 1977). Присоединяясь к этому мнению, мы здесь и в дальнейшем обе дисциплины объединяем под одним названием – космическим материаловедением.

За годы развития космическое материаловедение достигло значительных успехов, в первую очередь в обеспечении устойчивости материалов к воздействию сверхвысокого вакуума и ионизирующих излучений. Благодаря выполненным исследованиям повышена радиационная стойкость элементов солнечных батарей, оптических систем, электронной аппаратуры, систем терморегулирования КА и т. д. Предложены конкретные меры по защите наиболее уязвимых узлов бортовой аппаратуры. Впечатляющим свидетельством достигнутых успехов в обеспечении жизнестойкости КА являются длительная безотказная работа советских лунных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», эффективное функционирование ОКС «Салют-6» в течение почти пятилетнего периода, успешные исследования атмосфер и поверхности Венеры и Марса спускаемыми аппаратами советских межпланетных автоматических станций.

С созданием в нашей стране ОКС типа «Салют» интенсивное развитие получили эксперименты в области космической технологии. Большое число таких экспериментов, в том числе по ряду международных программ, было выполнено на ОКС «Салют-6». Работы в этом направлении продолжаются и на борту ОКС «Салют-7».

Расширение сфер практического приложения космической техники неизбежно повышает требования к качеству конструкционных материалов и ставит новые, порой неожиданные задачи в области космического материаловедения. В качестве примера можно указать проблему накопления значительных электростатических зарядов на КА, с которой пришлось столкнуться лишь в начале 70-х годов при запусках первых геостационарных ИСЗ (высота орбиты 36 тыс. км).

Таким образом, космическое материаловедение, история которого насчитывает лишь немногим более двух десятков лет, продолжает стремительно развиваться, опираясь на новейшие достижения в смежных областях науки и техники и, в свою очередь, внося вклад в развитие смежных областей – вакуумной и радиационной техники, технологии полупроводникового приборостроения, технологии производства сверхчистых материалов.

В предлагаемой брошюре освещены наиболее актуальные проблемы космического материаловедения, рассмотрены физические и прикладные аспекты различных явлений, возникающих при воздействии факторов космического пространства на материалы и элементы КА, описаны принципы и некоторые методы моделирования воздействия ФКП, показаны перспективы развития космического материаловедения.

Сочетание слов «космический вакуум», встречающееся на страницах газет и журналов, по радио и в телевизионных передачах, стало уже для нас привычным. Понятие «космос» в нашем сознании неразрывно связано с представлением о безвоздушном пространстве, некой бесконечной пустоте, в которой движутся планеты и звезды. Слово «вакуум» в переводе с латинского и означает «пустота». В науке и технике под вакуумом понимается состояние газа при давлении ниже атмосферного. Давление воздуха в атмосфере Земли с увеличением высоты убывает по закону, близкому к экспоненциальному.

Для нас представляют интерес параметры атмосферы на тех высотах, где КА может функционировать в течение длительного времени. В табл. 1 приведены значения давления, плотности и температуры воздуха, а также концентрации нейтральных частиц в атмосфере Земли, начиная с высоты 200 км, которая обычно принимается за нижнюю границу орбитальных полетов, до высот в десятки тысяч километров, на которых функционируют ИСЗ, запускаемые на геостационарные и высокоэллиптические орбиты. Сразу же отметим, что температура, приведенная здесь в четвертой колонке, характеризует лишь кинетическую энергию частиц газа и не оказывает прямого влияния на температуру поверхности КА в силу крайней разреженности среды.

Изменение параметров атмосферы Земли с высотой

* На высотах более 20 000 км частицы находятся преимущественно в ионизованном состоянии.

Из табл. 1 видно, что в рассматриваемом диапазоне высот давление надает более чем на 6 порядков. Используя терминологию вакуумной техники, вакуум на высотах 200 – 400 км можно охарактеризовать как высокий, на высотах до 3 – 5 тыс. км – как очень высокий, а на еще больших высотах КА находятся в сверхвысоком вакууме.

Выше 30 тыс. км давление и концентрация частиц газа уже мало отличаются от соответствующих параметров в межпланетном пространстве. Межпланетное пространство, в котором в 1 см³ содержится лишь несколько газовых частиц, действительно можно назвать «пустым». Не надо, однако, забывать, что в этом пространстве присутствуют также корпускулярные и электромагнитные излучения, потоки метеорных тел, магнитные и гравитационные поля и т. д., т. е. различные виды материи. Так что понятие «пустота» по отношению к космическому пространству следует воспринимать весьма условно. Но пока мы отвлечемся от комплексного характера космической среды и будем принимать во внимание лишь ее разреженность, т. е. то, что она прежде всего представляет собой космический вакуум.

В вакууме любой материал выделяет газы и пары, адсорбированные на поверхности и находящиеся (абсорбированные) в объеме материала. В последнем случае процессу газовыделения предшествует диффузия атомов и молекул газов к поверхности. Аналогичным образом происходит испарение из материалов различных примесей и добавок. И наконец, с поверхности происходит испарение (сублимация) основного материала.

Скорость испарения характеризуется массой вещества, испаряющегося в единицу времени с единицы поверхности материала. Эта скорость возрастает при увеличении температуры поверхности, она зависит также от условий отвода паров от поверхности: чем ниже давление паров над поверхностью по отношению к давлению насыщенного пара испаряющегося вещества, тем выше скорость испарения.

Понятно, что для использования на открытых поверхностях КА нужно выбирать материалы с низкой скоростью испарения при той температуре, до которой они могут нагреваться в условиях космического пространства. Например, толщина пластины, изготовленной из кадмия или цинка, уменьшается за счет испарения в вакууме приблизительно на 0,1 мм в год уже при температуре 100 — 150°С, которая вполне реальна на поверхности КА за счет нагрева солнечным излучением. Чтобы получить такое же уменьшение толщины для пластины из алюминия, меди или никеля, пластины нужно нагреть до 750 — 1000°С, а при 100 — 150°С эти материалы практически не испаряются.

Для реально используемых конструкционных материалов потеря массы за счет испарения в космическом вакууме обычно столь незначительна, что не приходится учитывать уменьшение толщины слоев материалов, за исключением случаев специальных очень тонких пленок и покрытий, а также при эксплуатации материалов при высоких температурах. Однако это вовсе не означает, что пребывание в вакууме проходит бесследно для материалов.

Процессы газовыделения и сублимации существенно» изменяют состояние поверхности и приповерхностных слоев материалов за счет удаления поглощенных газов с поверхности и из объема, разрушения окисных пленок на поверхности, удаления примесей, образования микронеровностей на поверхности в результате неравномерного испарения и т. д. Все это приводит к изменению механических, оптических и электрофизических характеристик материалов. И в этом смысле действительно можно говорить о воздействии космического вакуума — «пустоты» — на конструкционные материалы. Некоторые примеры такого влияния вакуумных условий на свойства материалов мы рассмотрим несколько позже. А сейчас перейдем к еще одной проблеме, непосредственно связанной с работой КА в вакууме.

Процессы газовыделения и сублимации материалов в вакууме приводят к образованию около КА газового облака, на которое воздействуют гравитационные силы, давление света, силы аэродинамического торможения и т. д. Это облако, в состав которого также входят твердые частицы, отрывающиеся от поверхности КА, продукты выхлопа двигателей, газы и твердые частицы, попадающие в космическое пространство из внутренних отсеков за счет утечек, при шлюзовании и т. д., принято называть собственной внешней атмосферой (СВА) космического аппарата. Часть газовых частиц СВА возбуждается и ионизируется солнечным ультрафиолетовым излучением и корпускулярными потоками, подобно тому как это происходит в атмосфере Земли.

Из-за наличия СВА давление в непосредственной близости от КА может значительно (иногда на несколько порядков) превышать давление в окружающем космическом пространстве. Плотность СВА непостоянна во времени. В первые сутки и даже недели после вывода КА на орбиту идет его интенсивное обезгаживание, вследствие чего плотность СВА довольно высока. По окончании периода послезапускового обезгаживания плотность СВА обычно стабилизируется на некотором уровне, определяемом состоянием динамического равновесия между процессами поступления частиц в газовое облако, возврата их на поверхность КА и рассеяния в окружающее пространство.

Для американской ОКС «Скайлэб», например, в установившемся состоянии непрерывные потери массы составляли 10^–1 г/с. Из этого количества 2 · 10^–2 г/с приходилось на утечки из гермоотсеков (что за сутки составляло 1,7 кг) и 10^–3 г/с – на утечки ракетного топлива через клапаны двигателей. Остальные потери массы были в основном обусловлены сублимацией различных неметаллических материалов, которых насчитывалось порядка 200, а суммарная площадь составляла около 23 000 м².

Функционирование современных сложных КА, в том числе долговременных ОКС, неизбежно сопряжено с включением двигателей ориентации и коррекции, открытием шлюзовых камер, осуществлением стыковых транспортных КА. Во время этих операций происходит резкое возрастание плотности СВА за счет выбросов значительных количеств жидких и газообразных продуктов в окружающую среду. Так, двигатели ориентации на американском космическом корабле «Аполлон» периодически выбрасывали около 200 г несгоревшего ракетного топлива, в то время как непрерывные потери массы для этого корабля составляли 3 · 10^–2 г/с.

Пространственное распределение плотности СВА в окрестности КА имеет сложный характер и в значительной степени определяется геометрией КА, расположением источников утечки, характеристиками используемых материалов и т. д. На первой странице обложки показано распределение плотности СВА в пространстве около ОКС в установившемся состоянии, когда начальное обезгаживание станции уже закончилось и не было возмущающих выбросов (в частности, выключены двигатели коррекции, закрыты шлюзовые камеры). Плотность атмосферы Земли на высоте полета этой ОКС составляла около 4 · 10^–15 г/см³.

Воздействие СВА на материалы и элементы аппаратуры сводится в основном к следующим эффектам: 1) загрязнению поверхности осаждающимися продуктами СВА; 2) увеличению светового фона в окрестности КА за счет рассеяния света на частицах СВА и люминесцентного свечения; 3) возрастанию токов утечки в открытых высоковольтных устройствах и снижению их электрической прочности за счет «ухудшения» вакуума.

Загрязнение отрицательно влияет прежде всего на оптические поверхности КА: иллюминаторы, линзы телескопов и астронавигационных приборов, а также на солнечные батареи, терморегулирующие покрытия и т. д. Чувствительны к загрязнению и многие другие элементы аппаратуры КА, такие, как плазменные зонды, детекторы заряженных частиц малых энергий, коммутирующие устройства.

Осадок продуктов СВА состоит главным образом из органических веществ с высоким молекулярным весом. Источниками таких веществ на КА являются продукты топлива двигателей, краски, электроизоляционные материалы, резина и т. д. Закреплению осевших частиц на поверхности способствует солнечное ультрафиолетовое излучение, под действием которого происходит полимеризация многих органических молекул.

Перенос загрязняющих веществ осуществляется в основном в результате прямого попадания потоков частиц от источников на различные участки поверхности КА. При высокой плотности СВА некоторая доля частиц может попадать на поверхность после столкновений с другими частицами в газовом облаке, т. е. изменив первоначальное направление движения. На перенос заряженных частиц СВА оказывают влияние электрические и магнитные поля вблизи КА, создавая дополнительные условия для попадания загрязняющих веществ на его поверхности, находящиеся вне видимости из точки испускания частиц.

Загрязнение оптических элементов изменяет характеристики пропускания и отражения ими света, создает дополнительное его рассеяние на оптических поверхностях. Указанные факторы могут приводить к существенному ухудшению параметров оптических приборов и даже к полному выходу приборов из строя, как это, например, произошло с бортовым спектрометром на метеорологическом ИСЗ «Нимбус-4».

Во время первого пилотируемого полета к Луне на КА «Аполлон-8», через несколько часов после старта, было обнаружено загрязнение наружной поверхности иллюминаторов. А на четвертые сутки полета, когда корабль находился уже на окололунной орбите, три из пяти иллюминаторов оказались сильно загрязненными, что мешало наблюдениям.

Подобные явление характерны и для долговременных ОКС. На некоторых участках поверхности ОКС «Скайлэб» после 120 сут полета плотность массы осажденных продуктов СВА превысила 50 мкг/см², что соответствовало толщине слоя 0,2 – 0,3 мкм.

Космонавты Л. Д. Кизим, О. Г. Макаров и Г. М. Стрекалов, проводя тщательный осмотр ОКС «Салют-6» в начале декабря 1980 г., т. е. после более трех лет ее пребывания в космосе, отметили наличие пятен полупрозрачного коричневого осадка на стеклах некоторых иллюминаторов. Загрязнение явилось и одной из причин постепенного ухудшения отражательной способности зеркала субмиллиметрового телескопа БСТ-1М на ОКС «Салют-6». Для восстановления нормальной работоспособности телескопа летом 1960 г. на станцию пришлось доставить дополнительный усилитель.

Чтобы количественно оценить влияние загрязнений на характеристики оптических устройств, необходимо знать толщину осаждающейся пленки, ее состав и структуру, показатель преломления и другие параметры. Экспериментальное исследование процессов осаждения загрязнений на различные материалы, а также изучение образовавшихся пленок являются одними из важных задач космического материаловедения.

Газовое облако СВА, как уже отмечалось, создает дополнительный световой фон для оптических приборов за счет рассеяния света внешних источников (прямого солнечного света, а также света, отраженного от элементов конструкции КА и от Земли). Наибольший интерес представляет собой свечение отдельных крупных частиц в газовом облаке. Яркость свечения частиц диаметром несколько микрометров близка к яркости звезд первой или даже нулевой звездной величины. Такие частицы могут служить ложными ориентирами для астронавигационных приборов и приводить к сбоям в системах ориентации КА.

Явление свечения отдельных крупных частиц вблизи КА было замечено уже в первом космическом полете на корабле «Восток» Ю. А. Гагариным и в дальнейшем наблюдалось многими советскими и американскими космонавтами. Они сообщали, что яркость этих частиц сравнима с яркостью наиболее крупных звезд. А при известном напряжении фантазии светящиеся частицы можно было принять даже за «летающие тарелки». Подобные оптические эффекты неоднократно наблюдал на борту ОКС «Салют-6» и демонстрировал участникам экспедиций посещения Г. М. Гречко, сопровождая демонстрации шутливыми комментариями о преследовании станции НЛО («Неопознанными летающими объектами»). При этом космонавт сам «запускал» воображаемые НЛО путем легкого постукивания изнутри по стенке станции: при ударах от внешней оболочки ОКС отделялись микроскопические частицы, которые, ярко сверкая в лучах Солнца на некотором удалении от ОКС, создавали иллюзию «космической погони».

Влияние СВА на открытые бортовые высоковольтные устройства КА, для которых космический вакуум служит естественной электроизоляцией, проявляется прежде всего через повышение давления в промежутках между электродами. При этом в высоковольтных промежутках могут происходить электрические пробои, приводя к аварийному режиму. Но даже если пробои не происходят, в высоковольтных устройствах при ухудшении вакуума увеличиваются токи утечки и возникают кратковременные электрические разряды, так называемые микроразряды, что также нарушает нормальную работу устройств и создает электромагнитные помехи для бортовой электронной аппаратуры. Такие явления наблюдались на ОКС «Скайлэб», особенно в первые сутки полета, когда скорость газовыделения была высока.

Чтобы снизить отрицательное воздействие СВА на материалы, элементы и узлы бортовой аппаратуры, принимаются определенные меры, которые можно разделить на пассивные, активные и меры по очистке загрязненных поверхностей. Пассивное предупреждение эффектов воздействия СВА проводится еще на стадиях проектирования, изготовления, сборки и предпусковой подготовки КА. Оно заключается, например, в рациональном выборе материалов, правильном их сочетании в элементах конструкции КА, улучшении герметизации внутренних отсеков, применении специальных методов очистки и обезгаживания материалов.

Активные методы в основном направлены на предупреждение загрязнения поверхности КА в процессе его эксплуатации. К ним относится применение различных перехватывающих устройств (экранов, защитных козырьков и шторок), устанавливаемых на пути потоков загрязняющих частиц от источников к «чувствительным» участкам поверхности. Для перехвата заряженных компонентов загрязнений используются различные электростатические системы.

Естественными процессами, препятствующими образованию пленок загрязнений на поверхности КА, являются десорбция частиц с поверхности (процесс, обратный адсорбции), удаление (распыление) продуктов загрязнений ударами ионов, атомов и молекул при движении КА в верхней атмосфере Земли, а также распыление загрязнений космическими корпускулярными излучениями. Кроме того, удаление пленок загрязнений происходит за счет физико-химического воздействия кислородной плазмы в верхней атмосфере Земли. При этом образуются летучие окислы, легко покидающие поверхность материалов.

Методы искусственной очистки поверхности КА основаны на усилении указанных естественных процессов. Для удаления пленок загрязнений может применяться нагрев поверхности КА, что резко ускоряет процесс десорбции. Другой способ состоит в электростатическом ускорении положительных ионов верхней атмосферы перед очищаемой поверхностью с помощью сеток, к которым прикладывается потенциал в несколько сот вольт. За счет дополнительной энергии, приобретенной ионами в электрическом поле, скорость распыления загрязнений увеличивается более чем в 1000 раз.

Разрабатываются методы очистки поверхности с помощью специальных источников кислородной плазмы, которые могут устанавливаться на внешней оболочке КА или использоваться космонавтами при выходе в открытый космос.

Уже упоминалось о распылении продуктов загрязнений частицами в верхней атмосфере Земли. Этот процесс благоприятно сказывается на работе КА, т. е. является полезным. Однако аналогичное воздействие частицы верхней атмосферы могут оказывать и на чистые поверхности КА. При этом будет распыляться основной материал, и такое воздействие может оказаться вредным. В следующем разделе мы как раз и остановимся подробнее на явлениях, связанных с бомбардировкой поверхности КА частицами, входящими в состав верхней атмосферы Земли.

Рассматривая поведение материалов в космическом вакууме и влияние СВА на материалы КА, мы в основном учитывали лишь тепловое движение атомов и молекул. В верхней атмосфере Земли, на высотах 200 – 300 км, при температуре (1 – 2) · 10³ К средняя тепловая энергия атомов и молекул составляет 0,1 – 0,3 эВ. Однако по отношению к ИСЗ, движущемуся со скоростью около 8 км/с, кинетическая энергия частиц набегающего газового потока достигает 5 – 10 эВ (в зависимости от массы частиц). Как было экспериментально установлено, в ионосферной плазме поверхность ИСЗ приобретает отрицательный потенциал величиной 0,1 – 5 В. Кинетическая энергия положительных ионов, бомбардирующих поверхность, возрастает на величину, соответствующую этому потенциалу.

Кроме того, необходимо учитывать, что находящиеся в верхней атмосфере ионы обладают потенциальной энергией, затраченной на их ионизацию. Для составляющих атмосферы эта энергия лежит в пределах 10– 20 эВ. Помимо этого, некоторая часть нейтральных и заряженных частиц может находиться в возбужденном состоянии, т. е. обладать потенциальной энергией возбуждения. В результате энергия, передаваемая поверхности КА одной частицей набегающего газового потока, может достигать 10 – 25 эВ. Поскольку пороговые энергии таких процессов, как химические реакции, диссоциация, ионизация, рекомбинация и т. д., лежат в интервале 0,5 – 30 эВ, то на внешней поверхности КА под действием нейтральных и заряженных частиц верхней атмосферы протекают различные физико-химические процессы.

Удары нейтральных частиц оказывают воздействие преимущественно на атомы и молекулы газа, адсорбированные на поверхности КА, «выбивая» их с поверхности. Десорбции частиц с поверхности КА способствует также нагрев поверхности набегающим газовым потоком. Вносят вклад в нагрев материала и химические реакции, протекающие на поверхности с выделением тепла. К сожалению, количественные характеристики подобных реакций для условий космического полета известны пока весьма неточно, что затрудняет проведение расчетных оценок.

Некоторые химические реакции на поверхности идут с выделением энергии в виде светового излучения – это так называемая хемилюминесценция. Одним из интересных механизмов хемилюминесценции при орбитальном полете является дезактивация возбужденных частиц верхней атмосферы на поверхности КА. По имеющимся оценкам, во время солнечных вспышек, когда в верхней атмосфере концентрация частиц в возбужденном состоянии резко возрастает, свечение, обусловленное этим механизмом, может создавать заметные помехи для оптических приборов КА. Нормальное функционирование бортовых оптических приборов может нарушаться также за счет окрашивания приповерхностного слоя оптических материалов под действием набегающего газового потока.

Важное значение имеют экспериментальные исследования явлений на поверхности, проводимые непосредственно в космосе на борту КА. Пока данные таких экспериментов весьма ограниченны и относятся в основном к распылению материалов.

Используя аппаратуру «Дискаверера-26» и ряда других ИСЗ, исследовалось распыление набегающим газовым потоком золота и серебра. Распыляемый металл наносился на поверхность открытого кварцевого резонатора в виде тонкой пленки, и уменьшение массы пленки в процессе распыления регистрировалось по изменению резонансной частоты кварцевой пластины. На высотах около 200 км толщина пленки уменьшалась за сутки на 0,01 – 0,05 нм. Подобные эксперименты с нанесением на резонатор двуокиси кремния проводились и на борту ОКС «Салют-6».

Как мы видим, скорость распыления материалов в космическом пространстве около Земли невелика, и чаще всего это явление не представляет опасности для нормального функционирования КА. Однако в последние годы все чаще выдвигаются космические проекты, связанные с использованием тонкопленочных конструкций. Так, существует проект межорбитального транспортного космического корабля, приводимого в движение силой давления солнечного света, – своего рода «космического парусника». По расчетам площадь «паруса» такого корабля должна быть около 100 – 200 тыс. м², а для изготовления «паруса» предполагается использовать металлизированную полимерную пленку толщиной 50 – 100 нм. Есть проекты освещения отдельных участков земной поверхности из космоса с помощью огромных (10 – 100 км²) тонкопленочных зеркал, отражающих солнечный свет. Аналогичные устройства могут найти применение и для повышения эффективности наземных солнечных электростанций. Тонкие металлизированные пленки предполагается использовать также при создании антенн космических радиотелескопов и т. д.

При приведенных суточных потерях материала уменьшение толщины пленки за год в результате распыления составит 3,6 – 1,8 нм, что может существенно ухудшить оптические и механические характеристики пленки. Скорость распыления материала КА на круговой орбите с высотой 200 км следует, по-видимому, рассматривать как максимальную для околоземного космического пространства, поскольку с увеличением высоты орбиты падает плотность набегающего газового потока. Тем не менее поскольку разрабатываемые перспективные тонкопленочные конструкции должны функционировать в космосе 10 – 20 лет, явление распыления материалов частицами верхней атмосферы, как и явление испарения материалов в вакууме, нельзя не учитывать при проектировании таких конструкций.

На обращенную к Солнцу поверхность КА в окрестности Земли на 1 м² ежесекундно поступает около 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Иными словами, плотность потока энергии солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м². Причем около 9% энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400 – 760 нм) и инфракрасной (760 – 5000 нм) областями спектра. Более детальное представление о распределении энергии в солнечном спектре дает табл. 2, в которой для разных спектральных интервалов приведены абсолютные и относительные значения плотности потока энергии, а также значения энергии квантов излучения.

В инфракрасном и видимом диапазонах энергия отдельных квантов слишком мала для того, чтобы излучение могло оказывать непосредственное физико-химическое воздействие на вещество. Излучение этих спектральных областей, которое часто называют тепловым, влияет на материалы и элементы аппаратуры КА лишь путем нагрева. С уменьшением длины волны возрастает энергия квантов излучения и ситуация меняется. Энергия квантов может стать достаточной для деструкции вещества – разрыва молекулярных связей. Наиболее подвержены такому воздействию органические соединения.

Распределение энергии в спектре солнечного излучения

Максимальные длины волн, при которых излучение вызывает деструкцию материалов, лежат около 400 нм, т. е. вблизи коротковолновой границы видимого диапазона. При переходе в область меньших длин волн, в ультрафиолетовый диапазон спектра, деструктирующее воздействие излучения на материалы возрастает в соответствии с увеличением энергии квантов, однако с уменьшением длины волны резко падает интенсивность излучения в солнечном спектре (см. табл. 2). Поэтому интегральное воздействие солнечного ультрафиолетового излучения на материалы уменьшается в коротковолновой части спектра, а воздействием солнечного рентгеновского излучения на материалы практически можно пренебречь.

Хорошо известен двойственный характер воздействия Солнца на нашу земную жизнь. Солнечные лучи несут свет и тепло всему живому, но в то же время они оказывают губительное воздействие на многие микроорганизмы. Солнце одаривает нас благотворным загаром, но при чрезмерном облучении может приводить к тяжелым расстройствам здоровья. Солнце в конечном итоге движет подавляющим большинством процессов, протекающих внутри и вокруг нас.

Влияние Солнца на «жизнь» КА тоже неоднозначно. Солнце снабжает КА электроэнергией, питая солнечные батареи. Солнце обогревает аппарат в космосе, но... Здесь, пожалуй, следует остановиться при перечислении положительных моментов, связанных с воздействием солнечного излучения на КА. Причем нагрев КА Солнцем отнюдь не всегда является полезным и часто доставляет немало хлопот конструкторам космической техники.

В космосе теплообмен между телами происходит путем излучения, перенос же тепла за счет конвекции и теплопроводности пренебрежимо мал. В условиях космического вакуума слишком редки удары частиц газа о поверхность КА. Именно по этой причине окружающий газ и не может нагреть КА, хотя температура самого газа, как мы знаем (см. табл. 1), достаточно высока. Как отмечалось ранее, движение КА в верхней атмосфере Земли приводит к аэродинамическому нагреву его поверхности. Но даже на высоте 200 км поток тепла, поступающий на КА за счет аэродинамического нагрева, намного меньше потока тепла солнечного излучения.

Земля тоже посылает на поверхность КА тепловой поток, который обусловлен частичным отражением солнечного излучения и собственным тепловым излучением нашей планеты. На низких орбитах плотность этого теплового потока может достигать 35 – 40% от плотности потока прямого солнечного излучения, но с увеличением высоты она быстро падает. Тепловыми потоками, поступающими на КА от других источников (звезд, корпускулярных излучений и т. д.), практически можно пренебречь.

Если антенну телескопа направить на участок неба, лишенный каких-либо светил, на нее будет поступать энергия излучения, соответствующая температуре около 4 К. До такой температуры охладилась бы и поверхность КА в случае отсутствия притока к ней тепла от внешних источников, главным из которых является Солнце, и от источников тепловой энергии на борту КА. К последним относятся специальные нагревательные устройства, различная аппаратура, двигатели коррекции и ориентации, системы обеспечения жизнедеятельности экипажа и сам экипаж.

При отсутствии нагрева солнечным излучением необходимо иметь на борту для обеспечения нормального теплового режима КА достаточно мощный источник энергии (ведь без освещения и солнечные батареи прекращают свою работу). Кроме того, нужно принять меры для уменьшения отвода тепла изнутри КА к поверхности. С этой целью корпус КА можно покрыть так называемой экранно-вакуумной теплоизоляцией, состоящей из многих слоев металлизированной полимерной пленки. Такая космическая «шуба» предохраняла от переохлаждения советские «Луноходы» во время длинных лунных ночей, когда температура на поверхности Луны опускалась до –150°С.

Но вот кончилась лунная ночь. Лучи Солнца вновь ярко осветили и согрели поверхность «Лунохода». Казалось бы, можно выключить внутренний обогрев и больше не беспокоиться за судьбу аппарата. Однако теперь приходится решать противоположную задачу – защищать аппарат от перегрева. Эта задача, являющаяся общей для всех КА, подчас более сложна, нежели защита от переохлаждения. Процессы поглощения и рассеяния тепла поверхностью КА характеризуются соответственно коэффициентом поглощения A_s (для солнечного излучения) и степенью черноты поверхности е. Если на КА имеется избыток тепла, нужно, чтобы поверхность эффективно излучала и обладала малым поглощением. Это достигается увеличением степени черноты поверхности и снижением коэффициента поглощения.

Для обеспечения таких условий на поверхность КА и на различные устройства, находящиеся вне гермоотсека КА, наносят тонкие слои материалов с необходимыми характеристиками – терморегулирующие покрытия (ТРП). В качестве терморегулирующих покрытий используются различные краски, эмали, металлизированные полимерные пленки и т. п. Поэтому-то космическая «шуба» советских «Луноходов» днем выполняла вторую функцию – отражала избыток солнечного излучения.

Эффективный отвод избыточного тепла с помощью ТРП обеспечивается при значениях A_s = 0,2 – 0,3 и ε = 0,8 – 0,9. На рис. 1, на котором приведены значения этих параметров для различных материалов, используемых на внешней поверхности КА, видно, что наилучший теплоотвод обеспечивают металлизированные полимерные пленки и специальные белые краски. Такие краски (белые ТРП) приготовляются на основе окислов металлов {ZnO, ZnTiO₂ и др.), которые определяют цвет покрытий, с добавлением связующих веществ (SiO₂, Na₂O, К₂О), обеспечивающих механическую прочность. Рабочая толщина слоя, определяющая величины A_s и ε, для белых ТРП составляет 50 – 100 мкм. Отметим, что практически все используемые ТРП являются диэлектриками, т. е. покрытая ими поверхность КА является непроводящей.

Уменьшение излучения тепла с поверхности может привести к сильному перегреву КА. Вспомним историю с ОКС «Скайлэб». 14 мая 1973 г. ракета «Сатурн-5» вывела станцию на орбиту высотой 435 км. Через сутки корабль «Аполлон» должен был доставить на «Скайлэб» первый экипаж. Однако вскоре после запуска ОКС обнаружилось, что температура в ее внутренних отсеках превысила все допустимые пределы и достигла 50°С. А в один из последующих дней температура кратковременно поднималась даже до 88°С. Такой перегрев внутренних отсеков грозил полностью вывести из строя многие бортовые системы. Срочно изыскивались способы охлаждения станции...

Перегрев, едва не приведший к гибели ОКС, произошел из-за срыва противометеоритного экрана с основного блока ОКС во время ее запуска. Этот экран, изготовленный из алюминиевого листа толщиной 0,6 мм, одновременно должен был отражать солнечный тепловой поток.

Станция была спасена первым экипажем, который все-таки стартовал 11 сут спустя после ее запуска. Космонавты сумели установить на поверхности ОКС временный отражательный экран. А через два с небольшим месяца вторым экипажем он был заменен на новый, более эффективный экран, который позволил снизить температуру во внутренних отсеках до 21°С.

Авария на ОКС «Скайлэб» представляет собой пример резкого увеличения поглощающей способности у поверхности КА и вызванного этим быстрого перегрева аппарата. Такие случаи весьма редки. Но подобные явления, протекающие значительно более медленно, в общем-то, типичны для космической техники. Дело в том, что ТРП под действием ФКП изменяют свои параметры. Обычно наблюдается увеличение коэффициента поглощения А_s при относительно стабильном значении ε. Происходит так называемая деградация ТРП, в результате чего температура КА постепенно повышается.

Исключительная роль ТРП в обеспечении нормального функционирования КА и подверженность их воздействию практически всех ФКП сделали ТРП объектом интенсивных исследований в космическом материаловедении. К настоящему времени благодаря предпринятым усилиям достигнуты значительные успехи в создании покрытий, устойчивых к воздействию ФКП. Однако проблема по-прежнему остается острой, в особенности при проектировании КА, рассчитанных на 10 – 20 лет.

Солнечное ультрафиолетовое излучение является одним из факторов, вызывающих деградацию ТРП. В результате его воздействия белые ТРП постепенно темнеют, приобретая желтый или коричневый цвет различных оттенков. Такие изменения наблюдались, например, на ОКС «Скайлэб». Стали также коричневыми первоначально белые ТРП американского КА «Сервейер-3» после его пребывания на поверхности Луны в течение 2,5 лет. Этот аппарат «посетил» экипаж второй лунной экспедиции, прибывшей в ноябре 1969 г. на корабле «Аполлон-12». Некоторые части «Сервейера» были доставлены на Землю для изучения.

Итак, под действием ультрафиолетового излучения белые ТРП приобретают коричневый цвет. Прямо-таки напрашивается аналогия с солнечным загаром. Однако, увы, для ТРП «загар» вреден даже в малых дозах: изменение цвета покрытия влечет за собой перегрев КА за счет увеличения поглощающей способности поверхности. На рис. 2 показано увеличение коэффициента поглощения белого ТРП, наблюдавшееся в течение 3 лет на геостационарном ИСЗ связи «ОТС-2».

Ухудшение свойств ТРП вызывается и другими ФКП, например солнечным ветром, который мы рассмотрим в следующем разделе. Но прежде кратко остановимся еще на одном эффекте, вызываемом отражением света поверхностью КА.

Речь идет о бликах, своеобразных солнечных «зайчиках», которые возникают при отражении света от блестящих элементов конструкции. «Зайчики», попадая в оптические датчики систем ориентации, могут доставить много неприятностей. Поэтому при наземной отработке КА возможность возникновения световых помех тщательно исследуется. Вот что писал об этом явлении один из творцов советской космической техники, конструктор межпланетных станций и «Луноходов» Г. Н. Бабакин: «...Создается и машина, цель которой – проверить, как работают оптические датчики, не примут ли они какие-нибудь случайные блики. В датчики должны попадать только нужные лучи, как бы ни проворачивалась в полете машина... Если блики попадут в датчики, машина будет гоняться за ними, как собака за собственным хвостом...»

Предусмотреть все возможные отражения света на КА сложной формы, содержащих большое количество различного оборудования, чрезвычайно трудно. Поэтому помехи за счет возникновения бликов иногда случаются. По этой причине не сразу удалось сориентировать на Солнце телескоп на борту ОКС «Салют-4» – прибор видел ложное светило. Ориентация в конце концов была осуществлена благодаря мастерству и изобретательности экипажа станции, космонавтов А. А. Губарева и Г. М. Гречко. На ОКС «Салют-6» аналогичная ситуация возникла в системе ориентации одной из солнечных батарей. Неисправность была устранена космонавтами В. В. Коваленком и В. П. Савиных.

Солнечным ветром называется поток плазмы, непрерывно вытекающий в межпланетное пространство из внешней, полностью ионизированной газовой оболочки Солнца – короны. Термин «солнечный ветер» был предложен в 1958 г. американским физиком Е. Паркером, разрабатывавшим гидродинамическую теорию движения плазмы, испускаемой солнечной короной.

Плазма солнечного ветра, состоящая в основном из протонов и электронов, движется в окрестностях Земли со скоростью 320 – 400 км/с. Кинетическая энергия протонов при такой скорости составляет 600 – 800 эВ, а электронов – лишь 0,3 – 0,4 эВ, поскольку масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона. За счет хаотического теплового движения в плазме истинная энергия электронов солнечного ветра в несколько раз выше, но тем не менее они не оказывают сколько-нибудь заметного воздействия на материалы КА. Основным воздействующим фактором солнечного ветра является поток протонов. Во время вспышек на Солнце скорость солнечного ветра может увеличиться до 1000 км/с, при этом соответственно возрастает энергия протонов и плотность их потока.

Воздействие протонов солнечного ветра на материалы сводится к следующим основным эффектам: распылению и созданию радиационных дефектов структуры в приповерхностном слое за счет внедрения протонов и «смещения» атомов вещества.

Процесс распыления материалов часто характеризуют коэффициентом распыления, который показывает среднее число выбитых с поверхности атомов вещества, приходящееся на один падающий ион. На рис. 3 приведены результаты лабораторных исследований, в которых изучалась зависимость коэффициента распыления от энергии протонов для разных материалов. Видно, что максимальные значения коэффициента распыления наблюдаются при энергиях, близких к энергии протонов солнечного ветра.

На КА от воздействия солнечного ветра страдают прежде всего ТРП. Из-за образования радиационных дефектов эти покрытия окрашиваются и увеличивают поглощение теплового излучения. Воздействие солнечного ветра в течение одного года может увеличить коэффициент поглощения ТРП на 10 – 15%.

Таким образом, мы познакомились с действием на материалы и аппаратуру КА двух ФКП, создаваемых Солнцем: электромагнитного излучения и солнечного ветра. Во время вспышек Солнце испускает еще солнечные космические лучи (СКЛ), в основном это потоки протонов с энергиями от 1 до 10⁴ МэВ. Энергия протонов СКЛ, как мы видим, во много раз превышает энергию протонов солнечного ветра.

В космическом пространстве присутствуют и другие потоки частиц высокой энергии. С увеличением энергии частиц растет глубина их проникновения в толщу материала. Частицы высокой энергии могут проникать сквозь оболочку КА и представлять опасность для экипажа и аппаратуры, располагаемой во внутренних отсеках. Поэтому изучение радиационной обстановки в космосе и воздействия корпускулярной радиации разных видов на живые организмы и самые различные материалы и элементы аппаратуры занимает одно из центральных мест в космической физике, космической биологии и медицине и, конечно же, в космическом материаловедении. Заряженные частицы высокой энергии часто называют проникающим корпускулярным излучением, или проникающей радиацией.

Основными видами проникающей корпускулярной радиации в космосе являются электроны и протоны радиационных поясов Земли, галактические космические лучи (ГКЛ) – изотропный поток протонов и более тяжелых ядер, приходящий из удаленных областей Галактики, и уже знакомые нам СКЛ.

Радиационные пояса Земли, обнаруженные при полетах первых советских и американских ИСЗ и советских космических ракет, явились одним из наиболее значительных открытий в XX в. В нашей стране первые исследования радиационных поясов были выполнены под руководством академика С. Н. Вернова и члена-корреспондента АН СССР А. Е. Чудакова. Интересно, что обнаружение радиационных поясов было сравнительно неожиданным, хотя еще в 1907 – 1912 гг. были опубликованы работы К. Штермера, в которых рассматривалось движение частиц в поле магнитного диполя и откуда следовала принципиальная возможность захвата заряженных частиц магнитным полем Земли.

Радиационные пояса представляют собой относительно стабильные гигантские области скопления электронов и протонов высоких энергий, удерживаемые магнитным полем Земли. Геомагнитная оболочка Земли, деформированная давлением солнечного ветра и вытянутая в антисолнечном направлении, с содержащейся внутри нее радиацией называется магнитосферой. Таким образом, радиационные пояса заключены в магнитосфере Земли. Физическая модель магнитосферы, описывающая конфигурацию магнитного поля, распределение плотности частиц в пространстве, их вид, энергию, характер движения и т. д., достаточно сложна и продолжает уточняться по мере поступления новых данных. Укажем лишь характерные размеры магнитосферы: граница магнитного поля со стороны, освещенной Солнцем, лежит на расстоянии порядка 10 земных радиусов (радиус Земли R_З равен 6370 км), отсчитываемом от центра Земли; поперечные размеры магнитосферы в меридианальном направлении составляют 35 – 40 R_З, а область, вытянутая в антисолнечном направлении – так называемый хвост магнитосферы, – простирается на расстояния, измеряемые сотнями земных радиусов. Орбита Луны пересекает хвост магнитосферы на удалении 64 R_З от Земли.

Для электронов радиационных поясов характерен диапазон энергий от 0,05 до 5 МэВ, для протонов – от 0,1 до 50 МэВ. Заметим, что четкое разделение захваченной радиации на две области – внутренний (протонный) радиационный пояс, центр которого в экваториальной плоскости находится на расстоянии порядка 3000 км от поверхности Земли, и внешний (электронный) радиационный пояс с центром на расстоянии 15 – 25 тыс. км от Земли, наблюдалось по результатам первых измерений, выполненных с помощью газоразрядных счетчиков, которые регистрировали только частицы достаточно высокой энергии. Данные последующих измерений показали, что все пространство внутри магнитосферы, включая и области расположения радиационных поясов, заполнено заряженными частицами с энергией от нескольких десятков килоэлектронвольт до нескольких десятков электронвольт и ниже.

Частицы ГКЛ обладают наиболее высокой энергией по сравнению с другими видами космической корпускулярной радиации. Энергия ГКЛ заключена в чрезвычайно широком интервале – от 10⁸ до 10²¹ эВ, но плотность их потока сравнительно невелика.

Данные о проникающем корпускулярном излучении в космическом пространстве приведены в табл. 3.

По мере роста энергии заряженных частиц, воздействующих на КА, в материалах и элементах аппаратуры усиливаются вызываемые ими радиационные эффекты: образование дефектов структуры, ионизация и возбуждение атомов вещества, ядерные превращения.

Радиационные эффекты неизбежно изменяют физико-химические и механические свойства материалов, а следовательно, и эксплуатационные характеристики изготовленных из них элементов. Особенно чувствительны к воздействию радиации полупроводниковые, оптические, диэлектрические и полимерные материалы, широко применяемые в космической технике. Менее чувствительны к воздействию радиации металлы.

Все радиационные изменения, происходящие в материалах и элементах аппаратуры можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимые происходят в материалах в процессе облучения и практически полностью исчезают после его прекращения. Необратимые изменения непрерывно накапливаются в процессе облучения и сохраняются полностью или частично после прекращения облучения. Изменения первого вида связаны в основном с ионизацией и возбуждением атомов вещества, изменения второго вида – с образованием радиационных дефектов.

Частицы высокой энергии в космическом пространстве

* Z – порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева.

Как обратимые изменения в материалах, так и необратимые зависят от вида бомбардирующих частиц, их энергии, плотности потока и т. д. Однако характер этих зависимостей различен. Например, если для обратимых изменений увеличение плотности корпускулярного потока лишь пропорционально усиливает эффект, то в случае образования необратимых изменений увеличение плотности потока может привести к возникновению новых механизмов повреждения материалов и элементов аппаратуры.

Рассмотрим, как возникают изменения обоих видов в полупроводниковых приборах. Заряженные частицы, тормозясь в твердом теле, производят ионизацию атомов, и оторванные от атомов электроны могут в нем свободно перемещаться. Образовавшиеся ионы лишены такой возможности – они прочно удерживаются связями в кристаллической решетке. Однако каждый ионизованный атом может захватить электрон соседнего нейтрального атома, как бы «передав» ему свое ионизованное состояние. При приложении внешнего электрического поля процесс «перемещения» ионизованного состояния в кристаллической решетке происходит в направлении, противоположном направлению движения электрона, и эквивалентен перемещению элементарного положительного заряда.

Для описания различных явлений в полупроводниках используется представление о движении несуществующей на самом деле положительной частицы, которой дано название «дырка». Таким образом, можно сказать, что в твердом теле при ионизации атома образуются два элементарных заряда противоположного знака – электрон и «дырка» (иными словами, образуется электронно-дырочная пара).

Электроны и «дырки» могут создаваться в полупроводниках и другим способом – за счет введения в основной материал примесей, образующих в нем либо дополнительные свободные электроны, либо, наоборот, незаполненные электронные связи между атомами кристаллической решетки, т. е. «дырки». В первом случае говорят, что полупроводниковый материал обладает электронной проводимостью, или проводимостью n-типа, во втором – дырочной проводимостью, или проводимостью р-типа.

Если два полупроводниковых материала с противоположными типами проводимости привести в тесное соприкосновение, вблизи плоскости контакта образуется двойной электрический слой, так называемый р–n-переход, который обладает выпрямляющими свойствами, т. е. способностью пропускать электрический ток только при одной полярности внешнего напряжения, приложенного к р–n-переходу. При противоположной полярности напряжения через р–n-переход течет очень маленький ток, который называется обратным током р–n-перехода. Соответственно и полярность приложенного напряжения называется обратной, или запирающей. На выпрямляющем действии р–n-перехода и основана работа большей части полупроводниковых приборов.

Тормозящаяся в полупроводниковом материале заряженная частица создает на своем пути цепочку электронно-дырочных пар – ионизационный трек. Если ионизационный трек образуется в области р–n-перехода, к которому приложено напряжение обратной полярности, электроны и «дырки», двигаясь под действием электрического поля в противоположные стороны, создают дополнительный обратный ток через р–n-переход. Таким образом, одним из следствий воздействия радиации на полупроводниковые приборы является увеличение обратного тока р–n-переходов при облучении, что может ухудшать параметры приборов. Если за время облучения в полупроводниковом материале не накапливается значительного количества дефектов, после прекращения облучения уменьшается до исходной величины обратный ток р–n-перехода, т. е. данный эффект является обратимым.

Интересно отметить, что эффект возрастания обратного тока р–n-перехода при облучении находит и полезное применение. На этом принципе работают полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений. Если энергия частицы, попадающей в детектор, велика, она создает большое число электронно-дырочных пар в области р–n-перехода и вызывает кратковременное (импульсное) увеличение обратного тока р–n-перехода. Число образующихся при этом электронно-дырочных пар и соответственно величина импульса тока пропорциональны энергии регистрируемой частицы. Например, в кремнии на создание одной электронно-дырочной пары расходуется энергия около 3,6 эВ. При полном торможении заряженной частицы с энергией 1 МэВ в материале возникает 2,8 · 10⁵ электронно-дырочных пар, что соответствует заряду, вызывающему импульс обратного тока через р–n-переход, в 4,4 · 10^–14 Кл.

Чаще всего токи, создаваемые космической радиацией в полупроводниковых приборах непосредственно при облучении, малы и не оказывают значительного влияния на работу электронной аппаратуры. Более существенными являются необратимые изменения, проявляющиеся в постепенном ухудшении параметров полупроводниковых приборов: уменьшении усиления, снижении допустимых рабочих напряжений и т. д. Эти изменения, как уже отмечалось, обусловлены накоплением радиационных дефектов в полупроводниковых материалах.

Радиационная стойкость полупроводниковых приборов оценивается главным образом по необратимым эффектам, которые могут в конечном итоге привести к отказу или полному выходу прибора из строя. Отказом считается уход основного контролируемого параметра прибора из заданного интервала допустимых значений. Для характеристики радиационной стойкости часто используется понятие «предельно допустимый поток» – отнесенное к единице площади максимальное число попаданий частиц, которое материал или прибор выдерживает без изменения параметров. Например, при облучении кремниевых транзисторов протонами с энергией 20 МэВ коэффициент усиления этих транзисторов начинает уменьшаться после того, как суммарный поток протонов превысит величину 10¹¹ протон/см². Заметим, что такой поток протонов высокой энергии могут получить за год приборы, находящиеся вне гермоотсека КА, при полете во внутреннем радиационном поясе.

Более универсальным критерием для оценки радиационной стойкости является величина поглощенной дозы излучения, при которой начинаются заметные изменения параметров материалов или приборов. Поглощенная доза ионизирующего излучения измеряется энергией излучения, которая поглощается единицей массы вещества. Единица поглощенной дозы носит название Грей (Гр) и имеет размерность джоулей на килограмм. Данные о радиационной стойкости некоторых материалов и изделий электронной техники приведены в табл.4.

Из табл. 4 видно, что относительно невысокой радиационной стойкостью обладают различные оптические материалы. Ассортимент оптических элементов, используемых на борту КА, чрезвычайно широк: иллюминаторы, линзы, призмы, световоды, входные окна фотоэлектронных приборов, элементы лазерной техники и т. д.

Основными эффектами, вызываемыми в оптических материалах космической радиацией, являются люминесцентное свечение и окрашивание. Первый эффект является обратимым, второй – необратимым.

Под действием радиации происходят процессы ионизации и возбуждения атомов оптических материалов. Сообщенная при этом атомам избыточная энергия в основном освобождается путем испускания квантов света в видимой части спектра. Такое свечение, возбуждаемое ионизирующими излучениями, называется радиолюминесценцией.

Поглощенные дозы космической корпускулярной радиации, при которых заметно изменяются характеристики материалов и элементов аппаратуры

Особо следует выделить случай радиолюминесценции оптических элементов под действием тяжелых ядер ГКЛ. При их попадании в люминесцирующий оптический материал наблюдается интенсивная световая вспышка, носящая название фосфена. Фосфены создают значительные импульсные помехи для оптической аппаратуры и оптико-электронных приборов. Предполагается, что именно этим механизмом объясняются яркие вспышки; света, которые ощущали американские астронавты на поверхности Луны при закрытых глазах. Фосфен в данном случае может быть обусловлен попаданием тяжелого ядра ГКЛ в хрусталик глаза, что и создавало у человека ощущение световой вспышки..

Окрашивание оптических материалов под действием космических излучений происходит за счет ионизации атомов и возникновения радиационных дефектов. Появившиеся в материале при облучении свободные электроны и «дырки» могут захватываться радиационными дефектами. При этом образуются так называемые центры окраски, которые и изменяют оптические свойства материала – оптические стекла без специальных добавок начинают окрашиваться в коричневый цвет при поглощенной дозе в 10² – 10³ Гр.

Проблема радиационного окрашивания имеет особенно важное значение для волоконной оптики, используемой в космическом оборудовании, так как длина волоконных коммуникаций может достигать десятков и сотен метров и эффект радиационного снижения прозрачности световода будет сильно влиять на качество передаваемой информации.

Задача защиты экипажа и аппаратуры КА от действия радиации является одной из наиболее важных при подготовке космических полетов. Основным способом защиты является поглощение излучения оболочкой КА. Из рис. 4 видно, что даже сравнительно тонкая алюминиевая стенка значительно уменьшает дозу радиации во внутренних отсеках. Разрабатываются и так называемые активные методы защиты КА с помощью электрических или магнитных полей, отклоняющих заряженные частицы от аппарата.

Немаловажное значение имеет правильный выбор орбиты КА. Длительные пилотируемые полеты, например на ОКС «Салют», проводятся ниже радиационных поясов Земли, так что этот вид радиации не оказывает воздействия на ОКС. Достаточно быстрое пересечение радиационных поясов при полетах к Луне или планетам Солнечной системы также не представляет значительной опасности для экипажей КА.

Наиболее опасны для космонавтов при межпланетных полетах протоны СКЛ. Кривая 2 на рис. 4 показывает среднюю суммарную годовую дозу от СКЛ. Фактически же эта доза создается отдельными вспышками, число которых за год может составлять от 1 – 3 до 20 – 36 в зависимости от уровня солнечной активности. Протоны CKЛ достигают окрестности Земли через 1 – 5 ч после солнечной вспышки, а средняя продолжительность существования их потока составляет около 1 сут.

При подготовке пилотируемых полетов к Луне по программе «Аполлон» американскими специалистами были выполнены расчеты доз радиации, которые может получить находящийся в корабле экипаж во время наиболее мощных солнечных вспышек. В качестве исходных данных для расчетов были взяты параметры ранее наблюдавшихся вспышек. Оказалось, что при мощных солнечных вспышках величина поглощенной дозы внутри корабля может составлять от 0,5 до 3,5 Гр. Последняя доза представляет уже серьезную опасность – она может вызвать у космонавтов острую лучевую болезнь. Солнечные вспышки, создающие такую большую дозу, очень редки – они случаются в среднем один раз за несколько лет. Но тем не менее понятна важность прогнозирования солнечных вспышек при планировании пилотируемых полетов.

Протоны СКЛ представляют опасность для космонавтов и при полетах на околоземных орбитах, хотя значительно меньшую, чем при межпланетных полетах. Дело в том, что основная часть протонов СКЛ отклоняется магнитным полем Земли к полюсам и там поглощается в атмосфере, проникая до высот в несколько десятков километров. На средних и особенно экваториальных широтах могут прорваться через магнитное поле лишь протоны наиболее высокой энергии, которых в составе СКЛ сравнительно немного.

Орбита ОКС «Салют» выбрана таким образом, что станция не заходит в полярные области и даже мощные солнечные вспышки не создают серьезной угрозы экипажу. Одна из таких солнечных вспышек произошла 4 июля 1974 г., когда корабль «Союз-14», пилотируемый космонавтами П. Р. Поповичем и Ю. П. Артюхиным, шел к ОКС «Салют-3». Затем 6 и 8 июля, уже после перехода экипажа в станцию, произошли новые солнечные вспышки. В эти сутки наземные службы и сами космонавты вели особенно тщательный непрерывный контроль уровня радиации на борту ОКС, но он, хотя и повысился в несколько раз по сравнению с обычным, все же оставался в безопасных пределах.

Ну, а если произойдет чрезвычайно мощная солнечная вспышка? Тогда имеется возможность укрыться в спускаемом аппарате корабля «Союз», толстые теплоизолирующие стенки которого создают надежную защиту от радиации. И наконец, за время движения протонов СКЛ от Солнца к Земле можно принять меры для спуска КА с орбиты.

Частицы ГКЛ не представляют опасности для здоровья космонавтов даже при длительных орбитальных полетах. В большей степени этот вид радиации воздействует на чувствительную бортовую аппаратуру КА. Ранее уже упоминалось о создании ядрами ГКЛ световых вспышек, которые могут мешать работе оптических приборов. В следующем разделе рассмотрим, как ГКЛ влияют на работу электронной аппаратуры.

Электроны и «дырки», образующиеся при попадании быстрой заряженной частицы в полупроводниковый прибор, создают внутри него электрический заряд, а их движение в электрическом поле вызывает импульс тока. На этом эффекте основана работа детекторов заряженных частиц, т. е. для детекторов эффект является полезным. Однако для транзисторов и интегральных микросхем, работающих в различных электронных устройствах КА, подобные явления служат источником импульсных помех. Если амплитуда сигнала помехи сопоставима с амплитудой рабочих сигналов полупроводникового прибора, может произойти ложное срабатывание устройства, в состав которого входит прибор (например, переключится триггер, изменится состояние ячейки памяти и т. п.). Такие явления принято называть функциональными сбоями, к числу которых, в частности, относятся информационные сбои в ячейках памяти ЭВМ.

В основе функциональных сбоев лежат, таким образом, обратимые изменения параметров полупроводниковых приборов. Отличительная особенность такого сбоя, выделяющая его из других явлений, связанных с воздействием корпускулярных излучений, это то, что он вызывается одной-единствеиной заряженной частицей при ее попадании в полупроводниковый прибор. В то время как постепенное ухудшение параметров приборов, связанное с необратимыми эффектами, является следствием воздействия большого числа частиц.

Для возникновения функционального сбоя, вообще говоря, необходимы два условия: достаточно большая величина заряда, создаваемого внутри полупроводникового прибора попавшей частицей, и не слишком большая длина ионизационного трека (чтобы полнее собирались электроны и «дырки» на электродах прибора). Отсюда следует, что подобные сбои могут вызываться лишь частицами, имеющими достаточно высокую энергию и вместе с тем малую длину пробега в полупроводниковом материале.

Из различных видов космической корпускулярной радиации в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют тяжелые ядра ГКЛ (см. табл. 3). Вследствие своей очень высокой начальной энергии частицы ГКЛ проникают через оболочку КА, защитные кожухи и корпуса приборов и могут попасть в полупроводниковый материал уже в конце пробега, имея значительно меньшую энергию, но как раз такую, чтобы эффективно тормозиться и производить интенсивную ионизацию в тонком слое полупроводникового материала.

Размеры областей, в пределах которых действуют электрические поля и происходит перемещение зарядов (активные области), в современных полупроводниковых приборах измеряются десятками, а то и несколькими микрометрами. Низкие значения потоков тяжелых частиц ГКЛ и столь малые размеры области, в которую должна попасть частица, чтобы произошел сбой, обусловливают весьма малую вероятность такого события в условиях космического пространства. По имеющимся оценкам, вероятность попадания тяжелого ядра ГКЛ в активную область полупроводникового прибора в течение одних суток космического полета равна приблизительно 10^–5. Однако ЭВМ, устанавливаемые на борту современных КА, уже содержат порядка 10⁵ полупроводниковых приборов, т. е. в своей совокупности они потенциально подвержены одному функциональному сбою в сутки за счет рассматриваемого эффекта. А ведь имеется неуклонная тенденция к дальнейшему росту объема электронного оборудования на борту КА.

Сама проблема функциональных сбоев в электронном оборудовании под действием одиночных заряженных частиц возникла, как это ни парадоксально, вследствие прогресса в области технологии полупроводникового приборостроения. Создание современных полупроводниковых микросхем с очень высокой степенью интеграции, с одной стороны, привело к снижению рабочих напряжений и токов, а с другой – к резкому увеличению числа элементов, подверженных сбоям, в составе аппаратуры.

Для количественной оценки подверженности полупроводниковых приборов функциональным сбоям служит понятие критического заряда Q_o поступление которого на один из электродов прибора вызывает его срабатывание. На основании величины критического заряда можно вычислить минимальную энергию Е_о, которая должна выделиться в активной области прибора, чтобы произошел сбой. Наиболее низки значения критического заряда для структур типа металл–диэлектрик–полупроводник (МДП-структур), для них Q_o = 3 · 10^–13 Кл, а минимальное энерговыделение, вызывающее сбой, – Е_о = 7 МэВ. Для транзисторов с р–n-переходом Q_o = 1,5 · 10^–12 Кл, а Е_о = 35 МэВ.

Солнечные батареи – основные источники электроэнергии на современных КА – состоят из большого числа полупроводниковых фотопреобразователей, или, как их еще называют, солнечных элементов. На рис. 5 представлена схема фотопреобразователя, изготовленного из кремния с дырочной проводимостью (проводимостью р-типа). Исходная монокристаллическая кремниевая пластина имеет обычно удельное сопротивление от 0,1 до 100 Ом · см и толщину 0,1 – 0,5 мм. В верхний слой кремния, на глубину 0,1 – 2 мкм, вводятся так называемые легирующие добавки, в результате чего этот слой приобретает электронную проводимость (n-типа) и на границе раздела р- и n-областей в кремнии формируется р–n-переход.

Электрический контакт к освещаемой Солнцем поверхности фотопреобразователя представляет собой тонкие металлические полоски, тогда как противоположный контакт является сплошным. Освещаемая поверхность фотопреобразователя покрывается просветляющей пленкой, подобно тому как это делается во многих оптических приборах, в том числе в знакомых всем объективах фотоаппаратов. Кванты света поглощаются в объеме фотопреобразователя, создавая электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем р–n-перехода, и между контактами фотопреобразователя возникает разность потенциалов. Важной деталью солнечных элементов, используемых на КА, является защитное стекло, о роли которого подробнее будет рассказано дальше.

Современные кремниевые солнечные элементы, используемые на КА, обеспечивают напряжение 0,5 – 0,6 В при плотности тока нагрузки 40 – 45 мА/см². Теоретически коэффициент преобразования энергии солнечного излучения в электрическую (КПД фотопреобразователя) может достигать 22%. КПД фотопреобразователей, реально используемых на КА, пока приблизительно вдвое ниже.

Эксплуатационные параметры фотопреобразователя, в том числе и КПД, сильно зависят от полноты собирания на электродах электронов и «дырок», образующихся в преобразователе под действием света. Различного рода изначально существовавшие дефекты структуры полупроводникового материала (а совсем без дефектов материал невозможно изготовить), а также дефекты, возникшие под действием космической радиации, захватывают часть электронов и «дырок» при их движении к электродам, что влечет за собой ухудшение параметров преобразователя.

Чувствительность кремниевых фотопреобразователей, как и других полупроводниковых приборов, к воздействию корпускулярной радиации достаточно высока (см. табл. 4). На некоторых ИСЗ, пересекавших радиационные пояса, мощность солнечных батарей, не оснащенных защитными стеклами, снижалась на 20 – 25% всего за несколько часов полета. Подобный эффект наблюдался, например, при полете ИСЗ «Электрон-3».

Поскольку энергоснабжение является одним из ключевых моментов в обеспечении нормального функционирования КА, были предприняты значительные усилия, направленные на исследование радиационной стойкости фотопреобразователей и разработку способов их защиты от воздействия космической радиации.

Наиболее простым и эффективным способом повышения радиационной стойкости солнечных батарей оказалось применение оптически прозрачных защитных покрытий, которые задерживают значительную часть падающего корпускулярного потока. В качестве такого «щита» для солнечных батарей используются кварцевые и стеклянные пластины толщиной 0,1 – 3 мм. Толщина пластин выбирается на основании компромиссных соображений: обеспечить достаточно эффективную защиту солнечных батарей при минимальном увеличении массы; конструкции.

На американском ИСЗ «Релей-1» (апогей 7440 км перигей 1320 км) были установлены образцы фотопреобразователей разных типов с защитными кварцевыми стеклами и без них. В ходе полета исследовалось изменение параметров фотопреобразователей. На рис. 6 показано изменение тока короткого замыкания преобразователей, наглядно иллюстрирующее эффективность применения кварцевых защитных покрытий. По имеющимся данным, применение защитных покрытий позволяет повышать радиационную стойкость солнечных батарей в 100 – 1000 раз.

Другим известным методом повышения радиационной стойкости солнечных элементов является введение лития в исходный кремний. Атомы лития, вступая в реакцию с радиационными дефектами, как бы «залечивают» их, препятствуя захвату электронов и «дырок» дефектами и тем самым способствуя повышению эффективности собирания заряда на электродах преобразователя.

Помимо радиационной деградации, характеристики солнечных батарей КА могут ухудшаться за счет уже рассмотренного процесса загрязнения поверхности защитных стекол продуктами СВА.

На геостационарных ИСЗ поверхность защитных стекол солнечных батарей может заряжаться потоками электронов с энергиями 10 – 20 кэВ. В результате там могут возникать электрические пробои, повреждающие поверхность, что также ведет к снижению прозрачности защитных покрытий. Такие явления мы подробнее рассмотрим несколько дальше.

Попробуем решить такую задачу. Пусть в вакуумной камере на металлическую пластину падает пучок электронов, создаваемый каким-либо источником, например электронной пушкой, подобной тем, что используются в кинескопах наших телевизоров. Куда направлен ток, текущий через облучаемую электронами поверхность пластины?

Казалось бы, чего проще. Ток, как известно, направлен навстречу движению электронов, т. е. в нашем случае от пластины. Однако такой ответ может оказаться неверным. Дело в том, что падающие на пластину электроны выбивают из ее приповерхностного слоя так называемые вторичные электроны, которые покидают пластину и вылетают в вакуум. Это явление называется вторичной электронной эмиссией.

Таким образом, через поверхность пластины проходят два направленных навстречу друг другу потока электронов: поток падающих на пластину (первичных) электронов и поток покидающих пластину (вторичных) электронов. Величина, равная отношению тока вторичных электронов к току первичных электронов, – коэффициент вторичной электронной эмиссии, обозначаемый обычно буквой а, может быть как меньше, так и больше единицы. В первом случае ток действительно направлен от пластины, но во втором он изменит направление на обратное, поскольку ток вторичных электронов будет больше тока первичных электронов. При σ = 1 величина суммарного тока через поверхность становится равной нулю, т. е. ток как бы вообще отсутствует.

Понятно, что в нашем эксперименте мы должны обеспечить отвод вторичных электронов от пластины: они могут уходить на стенки вакуумной камеры или на специальный собирающий электрод – коллектор, как это делается, например, при измерении коэффициента вторичной электронной эмиссии. Если облучаемую электронами пластину установить в камере на изолирующей подставке, пластина начнет заряжаться. При σ < 1 на ней будет накапливаться отрицательный заряд, обусловленный избытком электронов, а при σ > 1 – положительный заряд, что является следствием обеднения пластины электронами. Такие же эффекты возникнут, если облучать электронами диэлектрическую пластину, причем заряд будет накапливаться в тонком приповерхностном слое диэлектрика.

Величина коэффициента вторичной электронной эмиссии зависит от рода материала, степени чистоты его поверхности, энергии первичных электронов и от некоторых других менее существенных факторов. При увеличении энергии первичных электронов коэффициент вторичной электронной эмиссии сначала возрастает, а затем, достигнув некоторого максимального значения, начинает уменьшаться. Для металлов максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии обычно составляет 1 – 1,5 и достигается при энергии первичных электронов около 500 эВ. Диэлектрики, как правило, имеют более высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии по сравнению с металлами.

При бомбардировке металлов ионами также происходит выбивание электронов – это вторичная электронная эмиссия под действием ионов, или ионно-электронная эмиссия. Одновременно с поверхности выбивается некоторое количество ионов – происходит вторичная ионная, или ионно-ионная эмиссия. Возможен, правда с очень малой вероятностью, и процесс выбивания ионов при электронной бомбардировке материалов – вторичная электронно-ионная эмиссия.

В космическом пространстве, как мы знаем, на КА воздействуют корпускулярные потоки, различные по составу и энергии. Поэтому на поверхности КА одновременно протекают все перечисленные процессы, интенсивность каждого из которых зависит от характеристик воздействующей радиации.

Важно отметить, что происходящее под действием ФКП (космического вакуума, частиц СВА, корпускулярных потоков, ультрафиолетового излучения) изменение состояния поверхности материалов неизбежно влечет за собой изменение их вторично-эмиссионных свойств. При этом для всех рассматривавшихся процессов значения коэффициентов вторичной эмиссии могут оказаться как меньше, так и больше исходных. Закономерности происходящих изменений пока малоизучены, следовательно, проведение исследований в этом направлении является актуальной задачей.

С освещенных участков поверхности КА происходит фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов под действием солнечного электромагнитного излучения (преимущественно ультрафиолетового). Плотность тока фотоэлектронной эмиссии с поверхности КА составляет (1 – 5) · 10^–5 А/м².

Вторично-эмиссионные процессы могут непосредственно влиять на работу бортовой аппаратуры КА, создавая посторонние токи в чувствительных датчиках различных приборов. Очень велика роль этих процессов становится при образовании электрических зарядов на поверхности КА, о чем и будет рассказано дальше.

Под действием потоков космической плазмы и солнечного электромагнитного излучения КА приобретает некоторый электрический заряд, знак и величина которого зависят от соотношения интенсивностей процессов, обеспечивающих поступление на поверхность КА и сток с нее положительных и отрицательных зарядов. Основными составляющими тока, текущего через поверхность КА, являются следующие: ток электронов и положительных ионов окружающей плазмы; токи вторичной эмиссии с поверхности, обусловленные первичными токами плазмы; фотоэлектронный ток под действием солнечного излучения. Величины этих составляющих зависят как от характеристик внешних воздействующих факторов (интенсивности солнечного излучения, энергии и плотности потока частиц плазмы), так и от свойств поверхности КА (в первую очередь от ее эмиссионной способности).

Результирующий электрический потенциал поверхности КА определяется условием динамического равновесия, когда суммарный ток, текущий через поверхность, равен нулю. Но отдельные составляющие тока, направленные к поверхности или от нее, при этом не равны нулю, т. е. происходит непрерывный обмен зарядами между поверхностью КА и окружающей плазмой. Изменение любого параметра, влияющего на такой обмен зарядами, будь то коэффициент вторичной электронной эмиссии поверхности или энергия частиц плазмы, повлечет за собой смещение состояния равновесия: суммарный ток станет равным нулю уже при другом значении потенциала поверхности.

Но относительно чего отсчитывать электрический потенциал КА?

В рассмотренном нами лабораторном эксперименте; дело обстояло просто: можно было измерить потенциал изолированной пластины относительно металлического корпуса установки, который, как правило, соединен с шиной заземления. А с чем соединить вторую клемму вольтметра в космосе, если бы мы пожелали измерить потенциал КА?

В космическом пространстве отсчет электрического потенциала КА производится относительно окружающей плазмы, и измерение величины потенциала вполне выполнимо, но, правда, с помощью более сложных средств, нежели обычный вольтметр. Состояние равновесия как раз и характеризуется тем, что между поверхностью КА. и окружающей плазмой устанавливается некоторая разность потенциалов, которая «регулирует» поступление частиц плазмы на поверхность КА, тормозя частицы одного знака и ускоряя частицы противоположного.

Величины перечисленных составляющих тока различны и меняются в зависимости от параметров орбиты КА и геофизических условий. Обычно определяющим фактором является соотношение электронного тока плазмы, заряжающего КА отрицательно, и фотоэлектронного тока с поверхности, компенсирующего отрицательный заряд. На низких околоземных орбитах (в ионосфере) энергии частиц плазмы невелики (0,1 – 0,3 эВ), а концентрация частиц такова, что электронный ток плазмы превышает ток фотоэмиссии. Поэтому в ионосфере поверхность КА приобретает небольшой отрицательный потенциал.

На высотах в десятки тысяч километров от поверхности Земли характеристики магнитосферной плазмы сильно зависят от уровня геомагнитной активности, причем плазма неоднородна в пространстве. Во время геомагнитных возмущений на эти высоты со стороны хвоста магнитосферы вторгаются потоки плазмы с энергией частиц порядка 5 – 30 кэВ при плотности потока до 10¹⁴ м^–2 · с^–1. Величина электронного тока, текущего в этих условиях на поверхность КА, такова, что на освещенных участках поверхности он еще достаточно полно компенсируется током фотоэмиссии, но в отсутствие освещения приносимый электронами заряд накапливается на поверхности. В результате поверхность КА может приобретать отрицательный потенциал, измеряемый единицами и даже десятками киловольт.

Очевидно, что при отрицательном потенциале поверхности КА относительно плазмы энергия электронов, падающих на поверхность, должна уменьшиться по сравнению с исходной на величину еφ, где φ – потенциал поверхности, е – заряд электрона. Энергия протонов соответственно должна увеличиться на ту же величину. Такие явления наблюдались экспериментально при полетах ряда КА, что непосредственно доказывает возникновение высоких отрицательных потенциалов на поверхности.

На рис. 7 показаны энергетические спектры электронов и протонов магнитосферной плазмы, полученные во время полета геостационарного ИСЗ «АТС-5» до его входа в тень Земли и после этого. Видно, что после входа ИСЗ в тень энергетические спектры сместились по шкале энергии в противоположные стороны на величину, соответствующую потенциалу ИСЗ φ ≈ –4,2 кВ.

Итак, наличие высокого электрического потенциала на поверхности КА изменяет условия взаимодействия частиц плазмы с поверхностью, влияет на показания некоторых научных приборов (спектрометров заряженных частиц, датчиков электрических полей и т. д.), но, казалось бы, не представляет серьезной опасности для функционирования большинства бортовых систем КА. Однако это не так. Дело в том, что поверхность современных КА на 80 – 90% покрыта диэлектрическими материалами: терморегулирующими покрытиями (которые, как отмечалось, в подавляющем своем большинстве являются непроводящими), защитными стеклами солнечных батарей и т. д. Поэтому потенциалы освещенных и неосвещенных участков поверхности КА не могут выравниваться. Происходит так называемая дифференциальная зарядка, при которой между отдельными участками поверхности возникают высокие электрические напряжения.

Дифференциальная зарядка облегчается, если на поверхности КА материалы имеют различные вторичноэмиссионные свойства, КА обладает сложной геометрией и т. д. Значительные разности потенциалов, возникающие между отдельными участками поверхности, могут приводить к электрическим пробоям по поверхности, создающим электромагнитные, световые и акустические помехи для оборудования КА. Вот уж поистине громы и молнии на борту космического аппарата!

Впервые с этим грозным явлением пришлось столкнуться в начале 70-х годов при эксплуатации геостационарных ИСЗ. В работе их аппаратуры наблюдалось большое количество аномалий: происходили самопроизвольные (без команд с Земли) включение и выключение различных устройств, изменялась ориентация антенн, прекращалась подача электроэнергии от солнечных батарей и многое другое, причем аномалии наблюдались преимущественно в ночные и ранние утренние часы. Не сразу удалось понять, что все эти эффекты связаны именно с электризацией ИСЗ.

Постепенно при статистическом анализе происходящих отказов и сбоев в работе аппаратуры КА была выявлена корреляционная связь между наблюдаемыми аномалиями и появлением интенсивных потоков горячей плазмы в области геостационарной орбиты, приходящих со стороны хвоста магнитосферы. Позднее на геостационарных ИСЗ были установлены специальные датчики для регистрации электромагнитных помех и измерители напряженности электрического поля у поверхности КА. Данные, полученные с помощью этих приборов, убедительно подтвердили факт возникновения электрических разрядов на борту КА за счет дифференциальной зарядки поверхности.

Предпринятые теоретические и лабораторные исследования эффектов электризации геостационарных ИСЗ позволили понять основные закономерности наблюдаемых явлений. Однако проблема этим была еще далеко не исчерпана. При кажущейся простоте изложенной модели накопления заряда на поверхности КА физическая картина электризации реальных объектов чрезвычайно затруднена для анализа. В этом «повинны», в частности, и сложная геометрия КА и наличие большого числа материалов с разными электрофизическими характеристиками на их поверхности, и взаимное электростатическое влияние отдельных заряженных участков поверхности. Кроме того, как мы знаем, свойства диэлектрических материалов (например, их поверхностная проводимость и эмиссионные характеристики) могут существенно изменяться под действием ФКП. Это еще более затрудняет анализ эффектов, связанных с электризацией КА.

В настоящее время продолжается интенсивное теоретическое изучение этого явления путем моделирования процессов зарядки на ЭВМ, а также выполняются экспериментальные исследования, проводимые на лабораторных имитационных установках и в натурных условиях. Например, в 1978 г. на геостационарную орбиту был запущен спутник («СКАТХА») массой 227 кг, предназначенный специально для исследования процессов электризации, возникновения электрических разрядов и связи этих явлений с загрязнением поверхности ИСЗ продуктами СВА. На ИСЗ имеются образцы различных материалов, экспонируемые на внешней оболочке, а также емкостный датчик для измерения потенциала на поверхности образцов, детектор электромагнитных импульсов, создаваемых разрядами, кварцевые микровесы для исследования осаждения продуктов СВА на заряженные и незаряженные участки поверхности, спектрометры электронов и протонов и другая аппаратура.

Наиболее радикальным методом избавления от поверхностных электрических пробоев на борту КА является устранение дифференциальной зарядки поверхности. Иначе говоря, необходимо обеспечить достаточно-высокую электропроводность поверхности КА, чтобы потенциалы отдельных участков могли выравниваться. К сожалению, сделать это не так просто. По существу, необходимо разработать новые типы электропроводящих стекол, терморегулирующих покрытий и других материалов или создать тонкие проводящие, оптически прозрачные покрытия, которые должны хорошо удерживаться на основном материале, не изменять его свойств, а, кроме того, быть устойчивыми к воздействию ФКП. Работы в этих направлениях интенсивно ведутся и являются одним из важных разделов космического материаловедения.

Еще один метод снижения потенциала поверхности; КА состоит в выборе конструкционных материалов с необходимыми вторично-эмиссионными характеристиками. Ток вторичных электронов, выбиваемых падающими электронами и протонами, уносит отрицательный заряд с поверхности, так же как и фотоэлектронный ток. Но таким путем обеспечить достаточно полное удаление электронного заряда с поверхности весьма сложно при изменениях энергии первичных частиц в широких пределах.

Пока для сброса избыточного отрицательного заряда с поверхности КА практикуется применение электронных эмиттеров разных типов.

Повысить надежность работы геостационарных ИСЗ можно также и путем разработки помехоустойчивой бортовой аппаратуры, в которой используются электронные схемы с низкой чувствительностью к электромагнитным помехам, применяются схемы логического отбора случайных сигналов и т. д.

Применение всего комплекса электрофизических и технических мер для защиты геостационарных ИСЗ от электризации уже дало ощутимые результаты. На современных геостационарных ИСЗ наблюдается значительно меньше аномалий, чем на тех же ИСЗ первого поколения. Проводимые исследовательские и конструкторские работы, в частности по созданию новых электропроводящих материалов, в ближайшее время обеспечат дальнейший прогресс в этом направлении.

Еще один аспект проблемы электризации возник в последние годы в связи с развитием так называемых активных экспериментов в космическом пространстве, во время которых с КА в окружающую среду инжектируются интенсивные пучки заряженных частиц с целью изучения физических процессов в магнитосферной плазме. Если ток, текущий из плазмы на поверхность КА, полностью не компенсирует уходящий заряд, КА может заряжаться до потенциала, соответствующего максимальной энергии инжектируемых частиц. А при оседании зарядов, собираемых из плазмы, на диэлектрические поверхности КА на последних возникает потенциал по отношению к металлическому корпусу, что может приводить к пробою диэлектрика.

Следует отметить, что опасность возникновения электрических пробоев на борту КА связана не только с явлением электризации. На современных КА имеется различное оборудование (научное, радиотехническое и т. д.), работающее при напряжениях от нескольких единиц до десятков киловольт.

Естественным конструкторским решением при создании бортовых высоковольтных устройств является использование космического вакуума в качестве изолирующей среды, т. е. можно было бы размещать такие устройства вне гермоотсека КА, что позволило бы ощутимо снизить массу аппаратуры. Многие высоковольтные элементы и должны располагаться в открытом космосе в соответствии с их функциональным назначением. Однако вынос высоковольтного оборудования в открытый космос имеет и отрицательную сторону: под влиянием ФКП увеличивается вероятность возникновения электрических пробоев, или, как говорят, снижается электрическая прочность оборудования.

Мы уже упоминали о снижении электрической прочности бортового оборудования за счет воздействия СВА. При высокой плотности СВА могут наблюдаться различные формы газового электрического разряда. В этом случае главную роль будут играть процессы ударной ионизации в объеме газа. Для условий космического полета более типичной формой разряда является так называемый разряд в вакууме, инициирование и развитие которого определяются процессами на поверхности электродов.

Для возникновения электрического пробоя в высоковольтном вакуумном промежутке необходимо, чтобы на поверхности одного из электродов по какой-либо причине появился интенсивный источник плазмы, которая заполняет межэлектродное пространство. Размеры участка поверхности, с которого начинается истечение плазмы, могут быть очень малы – несколько микрометров или даже долей микрометра. Поэтому различные микроскопические дефекты поверхности электродов (выступы, инородные включения и т. д.) играют значительную роль в возникновении электрических пробоев.

При эксплуатации оборудования в открытом космосе такие дефекты на поверхности электродов могут образовываться под действием ФКП. Например, в результате загрязнения электродов продуктами СВА или за счет неравномерного испарения материала электродов в вакууме. Правда, в космическом пространстве есть и еще один фактор, оказывающий существенное влияние на работу высоковольтных устройств. Это мельчайшие частицы метеорного вещества.

Частицы, которые ответственны за явление метеора, называют метеороидами. Они движутся в космическом: пространстве преимущественно по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Скорость движения метеороидов относительно движения Земли лежит в интервале от 12 до 72 км/с. Плотность потока этих частиц быстро убывает с ростом их массы. Для самых мелких метеороидов, поперечные размеры которых составляют десятые доли; микрометра, а масса – около 10^–13 г, плотность потока близка к 10^–2 м^–2 · с^–1. При увеличении размеров частиц до десятых долей миллиметра плотность потока падает на 6 – 7 порядков.

Земной поверхности могут достигать либо не сгоревшие в атмосфере остатки наиболее крупных метеороидов (метеориты), либо, напротив, самые мелкие метеороиды, которые тормозятся в атмосфере, не испытывая существенного испарения, а затем медленно оседают на Землю.

Луна в отличие от Земли не имеет атмосферы, поэтому тела любых размеров беспрепятственно бомбардируют ее поверхность. При ударах падающих частиц о поверхность Луны возникают вторичные частицы – осколки лунного грунта, разлетающиеся по баллистическим траекториям. Скорость большей части этих осколков ниже 1 км/с, и поэтому концентрация вторичных частиц на удалении 20 – 30 км от Луны может заметно превышать концентрацию частиц, падающих на ее поверхность.

На лунной поверхности также существует и пыль в обычном ее понимании, представляющая собой мелкие частицы лунного грунта – реголита. Та самая знаменитая лунная пыль, вызывавшая множество споров, пока 31 января 1966 г. не была блестяще осуществлена мягкая посадка советского КА «Луна-9» на поверхность нашей ближайшей небесной соседки. Выяснилось, что толстого слоя пыли, в котором, как предполагалось, можно было бы даже утонуть, на поверхности Луны нет. Тем не менее имеющееся сравнительно небольшое количество лунной пыли создает определенные проблемы для конструкторов лунных аппаратов: пылинки, оседая на поверхность материалов и элементов аппаратуры, загрязняют их. Этому способствует наличие электрического заряда у части пылинок, поскольку электростатические силы удерживают пылинки на поверхности материала, а также могут способствовать их перемещению.

На Марсе наблюдаются пылевые бури, во время которых поднимаются с поверхности и переносятся в атмосфере частицы грунта размером 0,1 – 10 мкм. Скорость частиц при этом достигает 100 – 150 м/с, а плотность потока переносимой массы вещества – 10^–5 кг · (м²с)^–1.

До начала космической эры и в первые годы космических полетов оживленные дискуссии вызывал вопрос об опасности столкновения КА с крупным метеороидом. Однако имеющиеся данные о метеорных потоках и практика космических полетов показали, что вероятность такого события весьма мала. В истории космонавтики пока не зафиксировано ни одного случая серьезных повреждений КА метеороидами.

Подавляющее большинство соударений с поверхностью КА приходится на долю очень мелких частиц, размеры которых измеряются микрометрами. Такие частицы часто называют микрометеороидами, или просто микрочастицами, хотя по отношению к таким частицам микромира, как ядра, атомы и т. д., они, конечно же, являются макрочастицами.

При ударе микрометеороида о поверхность твердого тела на ней образуется кратер, размеры которого (глубина и диаметр) могут в несколько раз превышать диаметр падающей частицы. Образование кратера идет через стадии разогрева, плавления и испарения вещества в зоне удара. Последний процесс интенсивно происходит при скоростях частиц выше 15 – 20 км/с. Температура в зоне удара при скорости микрометеороида 30 км/с составляет около 10⁴ К. За счет высокой температуры происходит ионизация образующихся паров вещества, т. е. из кратера выбрасывается облачко плазмы.

Протекание этих процессов на электродах открытых высоковольтных устройств КА и создает предпосылки для возникновения электрических пробоев. Результаты экспериментов, выполненных на наземных имитационных установках, убедительно подтвердили реальность и высокую вероятность инициирования электрических пробоев в открытой высоковольтной аппаратуре КА ударами микрометеороидов об электроды.

За счет образования кратеров происходит постепенное удаление материала с поверхности, бомбардируемой частицами, – эрозия поверхности. Это отражается прежде всего на оптических характеристиках поверхности, и тем самым микрометеороиды представляют особую опасность для зеркал, линз оптических приборов, иллюминаторов КА. Повреждения иллюминаторов в виде мелких царапин и кратеров наблюдались многими космонавтами при длительных полетах на ОКС «Салют».

Следует сказать, что при скоростях соударения менее 1 км/с, которые характерны для осколков лунного грунта и частиц марсианских пылевых бурь, не происходит плавления бомбардируемой поверхности. Однако и в этом случае образуются вмятины и микроскопические трещины, задерживаются остатки разрушающихся частиц, что при достаточном числе ударов ведет к общему ухудшению характеристик оптических элементов. Лабораторные эксперименты, в которых имитировалось воздействие марсианской бури на оптические элементы спускаемого аппарата, показали, что за 5 – 10 ч пребывания на поверхности Марса в условиях бури прозрачность стекла может снизиться на 15 – 20%.

Микрометеороиды могут сравнительно легко пробивать насквозь различные тонкопленочные конструкции. Для одних конструкций (например, тонкопленочных отражателей света, о которых говорилось ранее) маленькие сквозные отверстия не представляют серьезной опасности. Для других (скажем, надувных конструкций) появление сквозных отверстий может стать причиной выхода из строя.

Вероятность столкновения КА с крупным метеороидом, который мог бы создать в герметизирующей оболочке сквозную пробоину большого размера, как уже говорилось, весьма мала. Однако и частицы размерами в десятые доли миллиметра могут вызвать нежелательные повреждения оболочки КА. При резко возросшей продолжительности пилотируемых полетов на ОКС столкновения с такими частицами становятся вполне реальными. Поэтому приходится принимать специальные меры для защиты ОКС и от ударов метеороидов.

Эффективной мерой является установка сравнительно тонкостенного экрана перед основной оболочкой ОКС. Он может быть пробит насквозь попавшим метеороидом, но при этом тот должен потерять скорость и разрушиться. На основную стенку ОКС, отделенную от экрана некоторым зазором, воздействует поток остатков материала экрана и метеороида, резко расширяющийся в зазоре. Такое воздействие на стенку уже не представляет опасности.

Подобными защитными экранами снабжены основные отсеки ОКС «Салют-7», причем в ряде случаев экранирующие элементы выполняют и другие функции. О таком же экране шла речь, когда мы рассматривали аварийный перегрев ОКС «Скайлэб».

В лабораторных условиях для имитации потоков метеороидов имеется целый арсенал технических средств. Сюда относятся и ускорители, работающие на сжатых газах, и электромагнитные пушки, и взрывные ускорители, в которых используются кумулятивные заряды, и плазменные и лазерные ускорители, наконец, электростатические ускорители разных типов.

Прежде чем отправиться в космическое путешествие, любой КА «летает» в земных лабораториях, т. е. там проводятся тщательнейшие испытания всех узлов и систем КА, начиная от мельчайших «кирпичиков» и кончая аппаратом в целом. Если же говорить о материалах, то их испытания начинаются еще раньше, до того как из них будут изготовлены эти самые «кирпичики» КА. А продолжаются испытания материалов на всех стадиях подготовки КА к полету, ведь нужно выяснить, как поведет себя каждый материал в конкретных изделиях и узлах после технологической обработки разных видов, находясь в контакте с другими материалами.

Однако наземные эксперименты с материалами не заканчиваются и после запуска КА: информация, поступающая с КА, требует уточнения тех или иных деталей в поведении материалов. А если случается что-то непредвиденное, будь то загрязнение иллюминаторов или снижение мощности солнечной батареи, вновь и вновь проводятся лабораторные эксперименты, чтобы найти ответы на вопросы, почему это произошло и как избежать подобных явлений в будущем.

Технические средства, используемые при испытаниях материалов на воздействие ФКП, в общем-то, схожи с теми, что применяются при испытаниях КА и его отдельных узлов. Основой любой лабораторной установки, на которой исследуется воздействие ФКП на материалы, является вакуумная камера с находящимися в ней различными имитаторами ФКП: источниками ультрафиолетового излучения, электронными и ионными пушками и т. д. Конечно же, когда исследуются образцы материалов, объем вакуумной камеры может быть значительно меньше, чем при испытаниях самого КА (в последнем случае объем камеры достигает нескольких тысяч и даже десятков тысяч кубических метров). Но в то же время на стадии испытания образцов материалов могут применяться такие имитаторы ФКП, как, например, мощные ускорители электронов и ионов, которые при испытаниях КА в целом, как правило, не используются.

Мы не будем подробно останавливаться на технических деталях различных имитационных установок, а рассмотрим наиболее важные моменты в организации испытаний, так сказать, стратегию испытаний, проиллюстрировав наше рассмотрение некоторыми конкретными примерами.

Многообразие ФКП, сложность их характеристик, комплексный характер воздействия делают весьма трудными имитационные испытания материалов и элементов аппаратуры КА в лабораторных условиях. Возможны два принципиально различных подхода к организации таких испытаний. Во-первых, воспроизводить космическую обстановку в точном соответствии с условиями на орбите, при этом не требуется детально знать механизмы воздействия различных ФКП на материалы и элементы аппаратуры. Однако такие испытания связаны с большими затратами средств и времени и не всегда реализуются технически. Например, для воспроизведения в лабораторных условиях реальной магнитосферной корпускулярной радиации необходима совместная работа нескольких ускорителей разных типов, что сопряжено с очень серьезными техническими трудностями.

Значительно чаще применяется второй метод имитационных испытаний, при котором сначала обнаруживают наиболее слабое звено в испытуемом объеме, определяющее в основном стойкость объекта, а затем детально исследуются механизмы повреждения этого звена. Причем в процессе испытаний производится выбор одного или нескольких ФКП, в наибольшей степени влияющих на характеристики испытуемого материала или элемента. При деградации терморегулирующих покрытий, например, таким доминирующим фактором является ультрафиолетовое излучение Солнца, а при повреждении полупроводниковых фотопреобразователей солнечных батарей – протоны радиационных поясов Земли. При следующем шаге выявляют и исследуют физические процессы, ответственные за ухудшение параметров испытуемого объекта (загрязнение поверхности, образование радиационных дефектов и т. д.).

При испытаниях материалов на радиационную стойкость принято выявлять и разделять эффекты, зависящие либо от общей дозы излучения, либо от мощности дозы, т. е. от плотности потока при облучении, о чем уже говорилось ранее. Важными моментами при испытаниях на радиационную стойкость являются выбор вида излучения, замена излучения одного вида другим, замена корпускулярных излучений со сложными энергетическими спектрами, характерными для космического пространства, потоками частиц с одной энергией, получаемыми на ускорителях.

Лабораторные имитационные испытания проводятся, как правило, ускоренно при сокращении сроков испытаний в 1000 раз и более по отношению к. периоду работы материалов и элементов аппаратуры в космосе на борту КА. Такой подход, помимо выигрыша во времени, дает значительный экономический эффект. Однако он требует детального знания механизмов воздействия факторов космического пространства на материалы: недостаточная научная обоснованность ускоренных испытаний может привести к получению ошибочных результатов.

В последние годы все большее внимание уделяется проведению испытаний материалов в натурных условиях непосредственно на борту КА. Выше уже упоминалось об исследовании процессов распыления, загрязнения и электризации материалов в натурных условиях. На ОКС «Салют-6» были получены очень интересные данные о взаимодействии метеороидов с различными материалами. Образцы материалов в течение длительного времени экспонировались на внешней поверхности станции, а затем снимались космонавтами при выходе в открытый космос.

Следует еще отметить, что натурные эксперименты дают возможность исследовать воздействие на материалы ФКП, трудно воспроизводимых в лабораторных условиях. Одним из таких факторов является набегающий поток частиц верхней атмосферы Земли при движении КА на низких орбитах. Получение потоков нейтральных газовых частиц с энергией в несколько электронвольт в лабораторных условиях является весьма сложной экспериментальной задачей. Применение же сравнительно простых устройств на борту ОКС позволяет эту задачу решать успешно.

Мы рассмотрели многие проблемы и задачи, которыми занимается космическое материаловедение – сравнительно молодое научное направление, рождение и развитие которого были стимулированы практическими запросами космической техники и технологии. Одни из проблем космического материаловедения, такие, например, как поведение материалов в условиях высокого вакуума, были известны давно, и изучение их применительно к условиям космического полета началось задолго до запуска первых космических аппаратов. Другие, например деградация ТРП или воздействие продуктов СВА на поверхность КА и элементы аппаратуры, возникли уже на ранних этапах развития космической техники. Наконец, еще есть такие проблемы, как электризация ИСЗ на геостационарной орбите, работа материалов в атмосферах других планет при необычных параметрах и сочетаниях воздействующих факторов, которые возникли совсем недавно, и сейчас ведутся интенсивные исследования в этих направлениях.

Многообразие физико-химических явлений и элементарных процессов, лежащих в основе воздействия ФКП на материалы и элементы КА, определило тесное взаимодействие космического материаловедения с другими областями науки и техники. В своем развитии космическое материаловедение опирается на новейшие достижения физики, химии, техники высокого вакуума, полупроводниковой технологии и т. д.

В свою очередь, космическое материаловедение вносит существенный вклад в становление смежных областей, например радиационной технологии, химии высоких энергий и т. д., и стимулирует их дальнейшее развитие.

Специфика задач космического материаловедения и широта проблематики требуют от специалистов, работающих в этой области, глубокой эрудиции в самых разнообразных, порой далеких друг от друга областях знаний. В нашей стране уже несколько лет ведется подготовка инженеров-исследователей специально для работы в области космического материаловедения.

Космонавтика завоевывает новые рубежи, космические аппараты – посланцы человеческого разума – проникают во все более удаленные уголки Солнечной системы, реализуются новые грандиозные проекты на околоземных орбитах, направленные на решение практических народнохозяйственных задач. Первостепенную роль в реализации этих проектов играет обеспечение длительной безотказной работы материалов и элементов аппаратуры в условиях космической среды. Достижения космического материаловедения являются прочным фундаментом для решения поставленных задач. И можно надеяться, что новое поколение исследователей, сегодняшние студенты и школьники старших классов, которым в первую очередь адресуется эта брошюра, внесут достойный вклад в решение задач космического материаловедения и развитие советской космической техники.

Вернов С. Н., Вакулов П. В., Горчаков Е. В., Логачев Ю. И. Радиационные пояса Земли и космические лучи. М., Просвещение, 1970.

Козлов Л. В., Нусинов М. Д., Акишин А. И., Залетаев В. М., Козелкин В. В. Моделирование теплового режима космических аппаратов и окружающей среды. Под ред. академика Г. И. Петрова. М., Машиностроение, 1971.

Кулаков В. М., Ладыгин Е. А., Шаховцев В. И., Вологдин Э. П., Андреев Ю. Н. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. Под ред. Е. А. Ладыгина. М., Сов. радио, 1980.

Крейнин Л. Б., Григорьева Г. М. Солнечные батареи в условиях воздействия космической радиации. – В сб.: «Итоги науки и техники». Исследование космического пространства. Т. 13. М., ВИНИТИ, 1979.

* ПРОДОЛЖЕНИЕ (начало см.: № 11 за 1981 г. и № 6 за 1982 г.). По материалам различных информационных агентств приводятся данные о запусках некоторых искусственных спутников Земли (ИСЗ), начиная с мая 1982 г. О пилотируемых космических полетах рассказывается в отдельных приложениях. О запусках ИСЗ серии «Космос» регулярно сообщается, например, на страницах журнала «Природа», куда и отсылаем интересующихся читателей.

17 МАЯ с борта орбитальной космической станции (ОКС) «Салют-7» на орбиту вокруг Земли выведен радиолюбительский ИСЗ «Искра-2». Созданный в студенческом КБ МАИ им. С. Орджоникидзе, он предназначен для экспериментов по любительской радиосвязи, в которых принимают участие молодежные и студенческие организации НРБ, ВНР, СРВ, ГДР, Кубы, ЛНДР, МНР, ПНР, СРР, СССР и ЧССР. Управление ИСЗ, прием и обработка поступающей информации осуществляются студенческими приемо-командными пунктами в Москве и Калуге. Этим запуском впервые в мире был выведен ИСЗ с борта пилотируемого космического аппарата, находящегося на орбите вокруг Земли (подробнее о запуске ИСЗ см.: Современные достижения космонавтики; 1982 г.).

29 МАЯ на высокоэллиптическую орбиту выведен очередной (55-й) советский ИСЗ связи «Молния-1». Он предназначен для обеспечения эксплуатации системы дальней телефонно-телеграфной радиосвязи, а также передачи телевизионных программ. Именно с запуском первых этих ИСЗ в 1965 г. в нашей стране впервые начала действовать спутниковая система дальней связи (подробнее об этом см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи; № 12 за 1981 г.).

9 ИЮНЯ в США осуществлен запуск на стационарную орбиту в точку «стояния» 123° з. д. ИСЗ «Уэстар-5». Этот ИСЗ 2-го поколения национальной спутниковой системы связи (ССС) фирмы «Уэстерн Юнион» предназначен для замены ИСЗ 1-го поколения «Уэстар-1». Именно с запуском первых этих ИСЗ в 1974 г. в США начала действовать первая национальная ССС (подробнее об этом см.: Современные достижения космонавтики, 1982 г.).

30 ИЮНЯ в СССР выведен на орбиту первый ИСЗ-спасатель «Космос-1383». Его запуск осуществлен по программе создания международной спутниковой системы поиска аварийных судов и самолетов «КОСПАС–САРСАТ», разрабатываемой в СССР («КОСПАС»), США, Канаде и Франции («САРСАТ»). В СССР в рамках развертывания этой системы уже действует пункт в Москве и сооружаются наземные пункты приема информации в Архангельске и Владивостоке, откуда она будет ретранслироваться в советский центр при Министерстве морского флота СССР в Москве (подробнее об этом см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи; № 12 за 1981 г.).

10 ИЮЛЯ в США на полярную солнечно-синхронную орбиту выведен природоресурсный ИСЗ 2-го поколения «Лэндсат-4 (Ди)». Усовершенствованная аппаратура этого ИСЗ серии «Лэндсат», в частности, позволит ему использовать навигационные данные непосредственно от спутниковой системы «Навстар». Кроме того, предусмотрена ретрансляция информации спутника через спутниковую систему слежения и передачи данных ТДРСС, первых два ИСЗ которой будут запущены в 1983 г.

21 ИЮЛЯ в СССР запущен очередной (56-й) ИСЗ связи «Молния-1».

27 АВГУСТА выведен на орбиту очередной (19-й) советский ИСЗ связи типа «Молния-3». Выводимые на высокоэллиптические орбиты, как и советские ИСЗ типа «Молния-1», они являются составными элементами ССС, используемой, в частности, для передачи телевизионных программ в системе «Орбита» (подробнее об этом см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи, № 12 за 1981 г.).

27 АВГУСТА с помощью американской ракеты-носителя (РН) выведен на стационарную орбиту в точку «стояния» 104,5° з. д. канадский ИСЗ связи 2-го поколения «Аник Ди-1». Этот ИСЗ, как и «Аник Ди-2», запуск которого запланирован на 1985 г., предназначен для модернизации канадской ССС «Телесат». Превышая по мощности в 2 раза ИСЗ 1-го поколения («Аник-Эй»), они впервые разработаны канадской, а не американской фирмой (подробнее об этом см.: Современные достижения космонавтики, 1982 г.).

3 СЕНТЯБРЯ в Японии с помощью последней РН Н-1 выведен на орбиту технологический ИСЗ «Кику-4» («ЕТС-3»). Он предназначен для дальнейшей отработки трехосной системы стабилизации. Кроме того, на его борту установлен экспериментальный ионный двигатель для изучения возможностей использования в качестве перспективных двигателей ориентации ИСЗ.

9 СЕНТЯБРЯ в Китае запущен ИСЗ с научным оборудованием. Это 11-й ИСЗ, запущенный в КНР, причем три из них были возвращены обратно на Землю.

10 СЕНТЯБРЯ из-за неисправности двигательной установки 3-й ступени закончился неудачей 5-й запуск западноевропейской РН «Ариан». Последняя ступень вместе с ИСЗ «МАРЕКС-Би» и «Сирио-2» упали в Атлантический океан. После неудачи этого 1-го эксплуатационного запуска РН «Ариан» (первые четыре были экспериментальными) снизились шансы этой РН в конкурентной борьбе с американским многоразовым транспортным космическим кораблем (МТКК) за запуски ИСЗ других стран. Поскольку при запуске не удалось вывести ИСЗ «МАРЕКС-Би», предназначенный для использования в международной системе связи с морскими судами «Инмарсат», при следующем запуске РН «Ариан» вместо ИСЗ «Экзосат» будет выведен на орбиту 1-й ИСЗ «ЕКС» западноевропейской ССС, который может исполнять некоторые функции ИСЗ «МАРЕКС-Би» (подробнее об РН «Ариан» см. Современные достижения космонавтики за 1980 г.).

16 СЕНТЯБРЯ в СССР осуществлен запуск очередного (9-го) ИСЗ телевизионного вещания «Экран». Выводимые на стационарную орбиту в точку «стояния» 99° в. д. (международный регистрационный индекс «Стационар-Т»), эти ИСЗ используются для передачи телевизионных программ в районы Приуралья и Сибири на абонентские приемные устройства упрощенного типа в труднодоступных и малонаселенных районах нашей страны (подробнее об этом см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи; № 12 за 1981 г.).

28 СЕНТЯБРЯ в США на стационарную орбиту в точку «стояния» 63° в. д. запущен 5-й ИСЗ типа «Интелсат-5» глобальной коммерческой ССС международного консорциума ИТСО. Это 1-й из ИСЗ «Интелсат-5», который предполагается также использовать в международной спутниковой системе связи с морскими судами «Инмарсат», действующей пока с помощью трех американских ИСЗ «Марисат» и западноевропейского ИСЗ «МАРЕКС-Эй» (подробнее об ИСЗ «Интелсат-5» см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи; № 12 за 1981 г.).

20 ОКТЯБРЯ в СССР на стационарную орбиту в точку «стояния» 90° в. д. запущен очередной (6-й) ИСЗ связи «Горизонт». Являющийся модификацией подобного типа ИСЗ, он имеет усовершенствованную многоствольную бортовую ретрансляционную аппаратуру, предназначенную для обеспечения телефонно-телеграфной радиосвязи и передачи телевизионных программ (подробнее об этих ИСЗ см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи; № 12 за 1981 г.).

28 ОКТЯБРЯ в США на стационарную орбиту в точку «стояния» 139° з. д. запущен 5-й ИСЗ «Сатком» американской ССС, принадлежащей корпорации РКА. Это 1-й из ИСЗ 2-го поколения ССС РКА, которые должны заменить ИСЗ 1-го поколения данной ССС, первый из которых был запущен в 1975 г. (подробнее об этом см.: Современные достижения космонавтики за 1982 г.).

11 НОЯБРЯ во время полета 5-го МТКК «Колумбия» были выведены на стационарные орбиты в точки «стояния» 94° з. д. и 117,5° з. д. соответственно 3-й ИСЗ американской ССС Эс-Би-Эс и 1-й канадский ИСЗ связи «Аник-Си». Оба ИСЗ разрабатывались американской фирмой «Хьюз». ИСЗ «Аник-Си» предназначены для замены ИСЗ «Аник-Эй» в канадской ССС «Телесат». Запуском 3-го (резервного) ИСЗ введена окончательно в эксплуатацию спутниковая система деловой связи Эс-Би-Эс для фирм, правительственных учреждений и других организаций, которая создана по инициативе фирмы «Комсат» вместе с фирмами ИБМ и «Этна Лайф» (подробнее об этом см.: Современные достижения космонавтики; № 12 за 1982 г.).

18 НОЯБРЯ во время полета основной экспедиции на ОКС «Салют-7» космонавты осуществили вывод на орбиту ИСЗ «Искра-3». Это был уже второй запуск ИСЗ с борта ОКС «Салют-7». Как и при запуске аналогичного ИСЗ, «Искра-2», А. Березовой и В. Лебедев проверили перед запуском функционирование систем ИСЗ и в расчетное время через шлюзовую камеру вывели его в открытый космос (подробнее об этом см.: Современные достижения космонавтики; № 12 за 1982 г.).

26 НОЯБРЯ в СССР запущен очередной (11-й) ИСЗ связи «Радуга». Выведенный на стационарную орбиту в точку «стояния» 35° в. д., он получил международный регистрационный индекс «Стационар-2». Наряду со стационарными ИСЗ типа «Горизонт» и «Экран», а также ИСЗ типа «Молния-1» и «Молния-3» эти ИСЗ широко применяются в системах телевизионного вещания, действующих в нашей стране (подробнее об этом см.: Агаджанов П. А., Большой А. А., Галкин В. И. Спутники связи; № 12 за 1981 г.).

15 ДЕКАБРЯ выведен на орбиту очередной (9-й) советский метеорологический ИСЗ «Метеор-2». На его борту установлена комплексная аппаратура для получения глобальных изображений облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, а также радиотелеметрическая аппаратура. Последняя может работать как в режиме запоминания, так и в режиме непосредственной передачи информации в Государственный научно-исследовательский центр изучения природных ресурсов и Гидрометцентр СССР.

26 ЯНВАРЯ на солнечно-синхронную орбиту высотой 900 км с помощью американской РН «Дельта» выведен нидерландский (с участием США и Великобритании) ИСЗ «ИРАС», предназначенный для астрономических исследований в инфракрасном диапазоне. Основу научной аппаратуры ИСЗ составляет 60-сантиметровый телескоп, снабженный 62 приемниками инфракрасного излучения в четырех спектральных интервалах (область длин волн 8 – 120 мкм). Предполагается, что за год своего активного существования ИСЗ «ИРАС» обнаружит в 1000 раз больше инфракрасных источников, чем их известно до сих пор.

4 ФЕВРАЛЯ в Японии с помощью РН «Н-2» запущен на стационарную орбиту в точку «стояния» 130° в. д. японский ИСЗ «Сакура-2Эй» («ЦС-2Эй»). Это 1-й ИСЗ национальной ССС, и тем самым Япония стала третьей страной (после СССР, США и Индонезии), обладающей собственной коммерческой ССС (аппаратура ИСЗ «ИНСАТ-1Эй» индийской ССС вышла из строя в самом начале эксплуатации). Впервые в мире в ССС Японии используется диапазон 30/20 ГГц (ранее в этом диапазоне лишь проводились эксперименты по спутниковой связи).

20 ФЕВРАЛЯ в Японии осуществлен запуск ИСЗ «Хинотори-2» («АСТРО-Би»). Как и предшествующий японский рентгеновский ИСЗ «Хинотори», он предназначен для астрономических исследований в рентгеновском диапазоне, но обладает более совершенной аппаратурой (пропорциональным счетчиком с эффективной площадью поверхности 1000 см²).

2 МАРТА в СССР произведен запуск ИСЗ «Космос-1443». По своей конструкции этот ИСЗ аналогичен ИСЗ «Космос-1267», который испытывался в совместном полете с ОКС «Салют-6». Целью запуска «Космоса-1443» является отработка бортовых систем, агрегатов и элементов конструкции ИСЗ в различных режимах полета, в том числе в совместном полете с ОКС «Салют-7».

ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА МАТЕРИАЛЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Гл. отраслевой редактор Л. А. Ерлыкин. Редактор Е. Ю. Ермаков. Мл. редактор Г. И. Валюженич. Обложка художника А. А. Астрецова. Худож. редактор М. А. Гусева. Техн. редактор Н. В. Лбова. Корректор В. В. Каночкина.

Сдано в набор 19.01.83. Подписано к печати 14.03.83. Т 01774. Формат бумаги 84×108¹/₃₂. Бумага тип. № 3. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3,57. Уч.-изд. л. 3,45. Тираж 28 300 экз. Заказ 92. Цена 11 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 834204.

Типография Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

Высота, км	Давление, Па	Плотность, г/см³	Температура, К	Концентрация частиц, см^–3
200	8,5 · 10^–5	3,0 · 10^–13	1 200	7,0 · 10⁹
300	1,0 · 10^–5	2,5 · 10^–14	1 500	8,0 · 10⁸
500	4,0 · 10^–7	3,0 · 10^–16	1 600	2,5 · 10⁷
1 000	4,0 · 10^–9	1,5 · 10^–18	1 600	1,5 · 10⁵
2 000	8,0 · 10^–10	2,0 · 10^–19	1 800	2,0 · 10⁴
3 000	5,0 · 10^–10	1,0 · 10^–19	2 000	1,0 · 10⁴
5 000	4,0 · 10^–10	4,0 · 10^–20	3 000	4,0 · 10³
10 000	2,5 · 10^–10	1,0 · 10^–20	15 000	1,0 · 10³
20 000*	1,0 · 10^–10	2,0 · 10^–21	50 000	1,0 · 10²
30 000	2,5 · 10^–11	6,0 · 10^–22	1 · 10⁵	10
50 000	1,5 · 10^–11	2,5 · 10^–22	2 · 10⁵	3 – 4

Интервал длин волн, нм	Плотность потока энергии, Вт/м²	Доля от общего потока, %	Энергия квантов, эВ
Ультрафиолетовое излучение 10 – 225 225 – 300 300 – 400	0,4 17 109	0,03 1,2 7,8	124 – 5,5 5,5 – 4,1 4,1 – 3,1
10 – 400	126	9,0	124 – 3,1
Видимое излучение 400 – 500 500 – 600 600 – 760	201 193 250	14,3 13,8 17,9	3,1 – 2,5 2,5 – 2,1 2,1 – 1,6
400 – 760	644	46,1	3,1 – 1,6
Инфракрасное излучение 760 – 1000 1000 – 3000 3000 – 5000	241 357 21	17,3 25,6 1,5	1,6 – 1,2 1,2 – 0,4 0,4 – 0,2
760 – 5000	619	44,4	1,6 – 0,2

Вид корпускулярного излучения	Состав	Энергия частиц, МэВ	Плотность потока частиц, м^–2 · с^–1
Радиационные пояса Земли: внутренний	Протоны	1 – 30 > 30	3 · 10¹⁰2 · 10⁸
Радиационные пояса Земли: внутренний	Электроны	0,05 – 05 > 0,5	2 · 10¹² 5 · 10¹⁰
внешний	Протоны	> 0,1	1 · 10¹²
внешний	Электроны	0,05 – 1,5 > 1,5	2 · 10¹¹ 1 · 10⁹
Солнечные космические лучи	Протоны	1 – 10⁴	10⁷ – 10⁸
Галактические космические лучи	Протоны Ядра гелия Легкие ядра (Z* = 3 – 5) Средние ядра (Z = 6 – 9) Тяжелые ядра (Z = 10 – 30)	10³ – 10¹⁴ для всех групп ядер	3 · 10⁴ 3 · 10³5 · 10¹ 2 · 10²4 · 10¹

Материал или изделие	Поглощенная доза, Гр	Происходящие изменения
Полупроводниковые приборы	10³ – 10⁴	Увеличение обратных токов, снижение усиления
Солнечные элементы	10³	Снижение КПД
Оптические стекла разных марок	10² – 10⁴	Ухудшение прозрачности, окрашивание
Кварц плавленый	10⁴ – 10⁵	Ухудшение прозрачности
Пластмассы	10⁴ – 10⁶	Ухудшение оптических и электроизоляционных свойств, снижение механической прочности
Конденсаторы и резисторы	10⁵ – 10⁶	Изменение номинальных величин, ухудшение электрических свойств
Металлы	10⁹ – 10¹⁰	Изменение электрических магнитных и механических: свойств