Математическое моделирование процессов газовыделения полимерными композиционными материалами космического назначения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ХАСАНШИН Рашид Хусаинович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в научно-испытательном центре ОАО «Композит».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация: ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия»

Защита состоится 2004 г. в_час. на заседании специа-

лизированного совета Объединенного Института Высоких Температур РАН №Д002.110.02 по адресу 185412, Москва, ул. Ижорская 13/19 ОИВТ РАН

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ОАО «КОМПОЗИТ»

Автореферат разослан

профессор Иванов М.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Любченко Ф.Н.,

кандидат физико-математических наук Апфельбаум М.С.

Ученый секретарь диссертационного сове доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают комплексом свойств, позволяющим использовать их в качестве внешних покрытий на различных космических аппаратах (КА). Газовыделение этими материалами в условиях эксплуатации является одним из основных источников летучих веществ (JIB), способных конденсироваться на чувствительных к загрязнениям поверхностях бортовой аппаратуры, таких как: поверхности оптических систем управления, элементов солнечных батарей и т.д. Это обстоятельство, в свою очередь, является одним из факторов, потенциально ограничивающих работоспособность и срок службы, как отдельной аппаратуры, так и всего космического изделия в целом. С дальнейшим увеличением сроков активного существования космических аппаратов создание прогностических моделей газовыделения материалами покрытий и загрязнения отдельных поверхностей продуктами собственной атмосферы становится все более актуальной задачей.

В общем случае, газовыделение полимерным композиционным материалом в условиях эксплуатации в основном складывается из следующих процессов:

десорбции летучих веществ, адсорбированных на поверхности материала или образовавшихся на нём при воздействии внешних факторов;

диффузии и десорбции летучих веществ, абсорбированных или образованных в нём в результате термической деструкции, воздействия электромагнитного или ионизирующего излучения;

испарения (сублимации) полимерного композиционного материала в вакууме, вызванного воздействием внешних факторов.

Поскольку энергия связи молекул полимерных материалов может быть сравнимой или меньше, чем энергия некоторых квантов электромагнитного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне и линейные коэффициенты поглощения таковы, что в приповерхностном слое поглощается большая часть энергии, то их воздействие, как и воздействие ионизирующих излучений, на эти материалы, может усилить эффект сублимации.

При выборе процессов, определяющих исследуемые явления, необходимо идентифицировать компоненты летучих веществ, участвующие в них, и оценить уровни воздействия факторов космического пространства (ФКП) на орбите, на которой предполагается эксплуатация данного материала. Для понимания макроскопических особенностей воздействия ФКП на газовыделение ПКМ в вакууме необходимо отдельно исследовать влияние температуры материала, воздействие УФ и ионизирующих излучений. Точность интерполяции в области экспериментальных измерений, в основном, определяется ошибкой измерений,

а ошибка прогноза зависит, прежде всего, от вида модели, описывающей исследуемое явление, и, уже во вторую очередь, от ошибки измерения. Поэтому, для прогнозирования необходимы «содержательные» математические модели газовыделения, которые явились бы основой прогностических инженерных методов современного уровня. В них должны быть учтены и те явления, которые не вносят значительного вклада в результаты лабораторных исследований из-за ограниченности времени эксперимента, но при эксплуатации материала с течением времени будут определять процесс газовыделения.

Цели и задачи исследования

Целью исследования является разработка математических моделей, описывающих газовыделение полимерными композиционными материалами космического назначения в условиях эксплуатации, которые стали бы основой для методов прогнозирования газовыделения ПКМ и загрязнения отдельных поверхностей бортовой аппаратуры образовавшимися летучими продуктами. Для этого необходимо исследовать зависимости кинетики газовыделения и осаждения образовавшихся летучих веществ как от свойств ПКМ, так и уровней внешних воздействующих факторов, определяющих протекание физико-химических процессов в объёме материала и на его поверхности. При этом ставились следующие задачи:

• исследовать влияния на кинетику газовыделения ПКМ и кинетику конденсации образовавшихся ЛВ температурного режима материала и воздействия на него УФ и электронного излучений;

• разработать модели воздействия электронного излучения на ПКМ в условиях эксплуатации с учётом особенностей энергетических спектров;

• разработать модели газовыделения ПКМ при воздействии УФ и электронного излучения в вакууме и модели конденсации образовавшихся ЛВ.

Научная новизна

• Разработаны аддитивные математические модели, описывающие газовыделение полимерными композиционными материалами покрытий КА и конденсацию образовавшихся ЛВ, при различных температурных режимах исследуемых материалов и воздействии на них УФ и электронного излучения, для методов прогнозирования газовыделения и загрязнения отдельных поверхностей бортовой аппаратуры продуктами собственной атмосферы.

• Разработана модель воздействия электронного излучения КП на ПКМ внешних поверхностей КА с учётом низкоэнергетической части спектра.

• Экспериментально обоснованы: основные положения представленных моделей; зависимости скорости газовыделения ПКМ и конденсации образовавшихся летучих веществ от температуры материала-источника ЛВ и уровней воздействия на него УФ и электронного излучения.

Практическая значимость результатов работ заключается в разработке математических моделей, описывающих газовыделение полимерными материалами покрытий КА и конденсацию образовавшихся летучих продуктов, для создания методов прогнозирования газовыделения и загрязнения отдельных поверхностей бортовой аппаратуры продуктами собственной атмосферы. Результаты расчётных и экспериментальных исследований кинетики газовыделения ПКМ при воздействии на них УФ и электронного излучения, необходимо учитывать при выборе материалов покрытий КА и подготовке, проведении и анализе результатов испытаний на соответствие выдвигаемым требованиям.

Реализация и внедрение результатов исследования

Работа выполнена в рамках целевой комплексной программы Росавиакосмоса: «Создание единой системы испытаний материалов и покрытий ракетно-космической техники на стойкость к воздействию факторов космического пространства с целью обеспечения сроков активного функционирования до 15 лет» (Государственный контракт с Росавиакосмосом. № 942-Т243/00).

На основе представленных моделей разработаны методики испытаний полимерных композиционных материалов покрытий космических аппаратов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях и научных семинарах.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 156 страницах, включая 63 рисунка, список литературы из 162-х названий.

Основные положения, представляемые к защите

• Аддитивные математические модели, описывающие газовыделение полимерными композиционными материалами покрытий КА и конденсацию образовавшихся ЛВ в условиях эксплуатации, для методов прогнозирования газовыделения и загрязнения отдельных поверхностей бортовой аппаратуры продуктами собственной атмосферы.

• Модель воздействия электронного излучения КП на полимерные композиционные материалы внешних поверхностей КА с учётом низкоэнергетической части спектра.

• Экспериментальные обоснования основных положений математических моделей газовыделения ПКМ космического назначения и модели конденсации образовавшихся летучих продуктов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит литературный обзор, в котором рассматриваются основные физико-химические процессы, происходящие в полимерных композиционных материалах космического назначения в условиях эксплуатации и особенности газовыделения этими материалами. Показано, что известные в литературе модели газовыделения ПМК имеют ограниченное применение, т.к., в основном, они разработаны для интерпретации результатов экспериментальных исследований, продолжительность которых во много раз меньше длительности эксплуатации материалов, и в них не рассмотрены вопросы влияния УФ и электронного излучений на кинетику газовыделения. В результате анализа литературных данных и результатов собственных исследований обосновывается подход к математическому моделированию газовыделения ПКМ и процесса конденсации образовавшихся летучих веществ.

Для количественного описания газовыделения и конденсации ЛВ предполагается, что изменение С^х^)- концентрации п-й компоненты газовыделения (молекул) в ПМК обусловлено следующими процессами:

• десорбцией с поверхности на границе материал-вакуум;

• изменением С.(х^) за счёт деструкции в материале под воздействием внешних факторов;

• изменением С(х, ^ за счёт химических реакций и испарения (сублимации) материала через поверхность границы материал-вакуум;

• диффузией, вызванной перечисленными выше процессами.

Во второй главе предложены аддитивные модели газовыделения ПКМ и конденсации образовавшихся летучих продуктов, приведены результаты экспериментальных исследований кинетики газовыделения при различных температурных режимах материала в вакууме. Модель газовыделения при термовакуумном воздействии построена на следующих предположениях:

1. Толщина образца исследуемого материала намного меньше остальных линейных размеров, следовательно, можно пренебречь краевыми эффектами и рассматривать одномерную задачу;

2. Эффективные коэффициенты диффузии, десорбции и термической деструкции определяются, в основном, температурой данного материала;

3. Некоторые компоненты газовыделения могут быть образованы в результате деструкции других компонентов под воздействием внешних факторов, остальные формы их взаимного влияния в модели не учитываются;

4. Компоненты газовыделения в материале образца участвуют в реакциях только первого порядка;

5. Материал испаряется со всей поверхности с одинаковой скоростью, которая для данного материала зависит только от интенсивности воздействующих факторов;

6. Газовыделение происходит только через границу материал-вакуум.

При рассмотрении перечисленных процессов в композиционных материалах и на их поверхностях пока реально возможен только макроскопический подход. Поэтому, здесь говорится об эффективных коэффициентах диффузии и десорбции - о параметрах, с помощью которых описываются процессы, наблюдаемые при лабораторных и натурных экспериментах.

Если обозначить через СДх,/) (/=1,2,3...Л/) - концентрации компонентов газовыделения, которые не могут быть образованы в материале при деструкции других компонентов под воздействием внешних факторов, тогда изменение этих величин в образце материала в рамках сделанных предположений можно описать дифференциальными уравнениями:

СС>(х,1)

л

-=д-

а*2

£°-<->/С.(х>')-х,САх,1) + ^ (г,/)

(1.1)

*е(0,Л-VI), '>0. и-кИ,

(1.2) (1.3)

-1.

удовлетворяющим начальным и граничным условиям:

где сг^ - весовой коэффициент термической деструкции 1-й компоненты по >му каналу, с"1;

IX, - скорость химических реакций с участием 1-й компоненты, с"' Д - эффективный коэффициент диффузии ьй компоненты, мкм2 с"1; Я, - концентрация ьй компоненты в материале в начальный момент времени; к, - эффективный коэффициент десорбции ьй компоненты, мкм^с"1;

функция источника ьй компоненты, с*; Л - толщина образца материала, мкм; V - скорость испарения данного материала, мкм-с-1.

Следующим предположением в построении модели было то, что зависимости эффективных коэффициентов диффузии и десорбции от температуры описываются выражениями аналогичными соотношениям Аррениуса:

А = А>,ехр^-, к, = кт ехр|-^,

(1.4)

где Ея и Б] - эффективные энергии активации диффузии и десорбции, соответственно; £>щ, кш -константы для данного материала; Я- универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура.

Функции СДх,/), полученные при решении задачи (1.1) - (1.3) с весовыми множителями входят в уравнения, описывающие изменения концентрации й компоненты газовыделения (]=1,2,3...Х), образование которой возможно

пои деструкции соответствующей /-ой компоненты: сСЛх,/) д2С,(х, 0 ' "

сг ах

при хе(0,И-и-1), />0, и-*<Л

с соответствующими начаттьньтми и гпаничньтми усттовиями:

сЛх-01о=Ъ я<*°> (1-2*)

д

сС,(х,1)

Л-о-г ^ ' '

1х«о

/>0,

(1.3)

где ет^ - весовой коэффициент термической деструкции >н компоненты по 1-му каналу.

Таким образом, перебирая все возможные компоненты газовыделения, была построена система дифференциальных уравнений, описывающая изменения концентраций летучих веществ в материале-источнике.

Для демонстрации влияния отдельных процессов на газовыделение на рис. 1 приведены графики распределения концентрации летучих веществ в материале, при различных значениях параметров чппрпи и чятяг™г,гття 0т времени. При одинаковых значениях параметров графики

J

1, а и 1, б представляют собой закономерности изменения концентрации ЛВ в материале для значений параметра о = 0 и:и = 0.015 мкм/час, соответственно. Функция на графике 1, в отличается от представленной на 1, а значением коэффициента диффузии, который увеличен в пять раз, при совпадении остальных параметров модели. График 1, г показывает зависимость изменения концентрация ЛВ в материале от безразмерного параметра Ми = к-кЮ за 1000 часов в случае неподвижной границы. Из него видно, что при значениях №<0.01 про-

исходит десорбционное, а при Nu^SO - диффузионное сдерживание процесса газовыделения.

Рис. 1. Пространствено-временное распределение концентрации JIB в материале при различных значениях параметров модели : а - D=0.001, k=0.01, Д=1.Е-7, w=0; б - D=0.001, k=0.01, /?=1.Е-7, «=0.015; в - D=0.005, k=0.01, /?=1.Е-7, у=0; г - влияние величины параметра//« на газовыделение.

Температура материалов в реальных условиях эксплуатации, следовательно, коэффициенты диффузии, десорбции и термической деструкции, как правило, являются функциями, зависящими от времени. При численном исследовании влияния переменной температуры на кинетику газовыделения время «наблюдения» было разбито на конечное число интервалов и считалось, что внутри каждого интервала температура образца постоянна, а в конце претерпевает скачок на определенную величину. Если до момента времени t0 образец находился при температуре Тх, а с t0 +0 стала Т2, тогда вместе с ней изменяются значения коэффициентов Д-, к/, c^jXi и S,(x,t). Для численного анализа процессов, происходящих при изменении температуры материала, было получено

аналитическое решение уравнений (1.1) - (1.3) (здесь оно приводится для случая, когда 5(х,1) = О и V = о):

С, (г,/ </„) =

11-1

С, (дг,1 > О = 2Ц ехр[-г-Д (1.5]

^о _ ап^Л к?

- йг ч л-ч Л+Л ) .4 1

где верхний индекс 0 приписан значениям параметров до момента времени г = »-/0; Л4, Л,- собственные значения оператора уравнения (1.1) - решения соответствующих трансцендентных уравнений:

После нахождения из (1.1) - (1.3) распределения С,(х,1) ЛВ /-го типа в образце материала, зависимости её массы в нём и потока через единицу поверхности границы материал-вакуум от времени t определяются соответственно из вьгоажений:

/1-41 I

Л*„(/) = .У0 РХ0 = \(1>+к1)С1(И-и-т,г)е1т, (16)

о о

где СДА-и /,0 концентрация в приповерхностном слое;

- площадь поверхности образца материала - источника Л В .

Рис. 2. Графики зависимости скорости газовыделения (а) и интегрального потока , (б) ЛВ с единицы поверхнасти материала от времени и скорости испарения материала и при пстоянных значениях других параметров модели: 0=0.001; к=0.01; р =10Е-7.

Результаты численного анализа зависимости скорости газовыделения (2, а) и кинетики газовыделения (2, б) от скорости испарения материала-источника летучих веществ представлены на рис.2.

При проведении натурных или лабораторных исследований кинетики газовыделения полимерных материалов, обычно, имеют дело с суммарным потоком (/) = £ Р, (0 . Часть потока осаждается на поверхности конденсации, а скорость этого процесса зависит как от состава и энергий отдельных компонентов молекулярного потока, так и от состояния этой поверхности, её температуры и интенсивности воздействующих на неё факторов.

Скорость изменения массы летучего вещества 1-го типа в образце материала и массы , осевшей на единице площади поверхности конденсации к моменту времени ^связаны между собой следующей системой уравнений:

где ка - эффективный коэффициент ремиссии с поверхности конденсации ЛВ 1— го типа; ха ~ скорость химических реакций с участием 1-го компонента на поверхности конденсации; аа - геометрический фактор, зависящий от взаимного расположения источника летучих веществ и элемента поверхности конденсации.

Функция Ма(1), которую можно использовать для оценок при лабораторных исследованиях, когда изменением толщины образца материала источника летучих веществ за время наблюдения можно пренебречь, имеет вид

(1.9)

л U')=r*,£-

(4-*«-*„)-

1 + h(— + -JL-L) Д к.

где: у = 2aaRtS0.

Константы, фигурирующие в выражении (1.9), в основном, определяют скорость газовыделения материала-источника JIB и скорости осаждения и ремиссии ЛВ с поверхности конденсации в подобных случаях.

Общую массу летучих веществ, осаждённых на единице поверхности конденсации, можно определить суммированием массы отдельных компонентов:

(1.10)

где А,(1,х)" часть массы ЛВ 1-го типа, вступившая в химические реакции на поверхности конденсации к моменту времени 1.

г, час t час

Рис.3. Кинетика газовыделения и осаждения JIB при различных значениях параметров модели: а - р =10"7, £>=0.001, ¿=0.01; б-р =10 , £>=0.001, А=0.01; в -£N0.0001, ¿=0.01, р =10"7; г-£>=0.001, £=0.0001, р =10"7 ( ^=10-4,10"5,10*7).

Влияние отдельных процессов на кинетику осаждения ЛВ демонстрируется с помощью графиков функций потери массы образцом материала и массы ЛВ, осевшей на элементе поверхности конденсации Ma(t), приведённых на рнс.З для различных значений параметров модели. При одинаковых значениях параметров функции кинетики газовыделения и осаждения JIB на графиках 3, а и 3, б отличаются значением параметра р, равным, соответственно, 10"7 (а) и 10"6 (б). Во втором случае ¿M„(t) за 1000 часов почти в два раза меньше, чем в первом, а за этот промежуток времени достигает своего максимума и начинает уменьшаться при всех рассматриваемых значениях коэффициента ремиссии. Следовательно, пренебрежение процессами, описываемыми с помощью параметра р, может привести к существенным ошибкам в прогностических расчетах. Функции Шй{t) и Ma{t) на графиках 3, в и 3, г отличаются от представленных на 3, а значениями эффективных коэффициентов диффузии D (в) и десорбции к (г), они меньше в 10 и 100

раз, соответственно, при совпадении остальных параметров модели. Изменение коэффициента диффузии наиболее существенно сказывается на поведении функций "¿М„{1) и Л^я(/),хотя и уменьшение коэффициента десорбции к приводит к заметным изменениям по сравнению с результатами, представленными на графике 3, а.

Рис. 4. Отклики функций Ш„(/), Ma(t) и dF(t)/dt на скачкообразное изменение температуры поверхности конденсации.

На рис .4 приведены графики, демонстрирующие влияние скачкообразного изменения эффективного параметра на кинетику конденсации JIB (где Ma = Ki Ки Х*~ коэффициент ремиссии и скорость химических реакций с

участием ЛВ /-го типа на поверхности конденсации при t>t„, соответственно). При одинаковых плотностях потоков ЛВ, падающих на поверхность конденсации на графиках 4, а и 4, б показаны изменения функции M^t) при резком уменьшении и увеличении параметра соответственно. Аналогичные изменения наблюдаются во время экспериментальных исследований конденсации ЛВ при быстром понижении или повышении температуры поверхности конденсации, а также при выключении и включении источника УФ излучения, воздействующего на поверхность конденсации и материал-источник ЛВ.

На рис. 5 представлены экспериментальные кривые кинетики газовыделения и конденсации ЛВ при разных температурных режимах материала ЭКОМ-1. График 5, а демонстрирует, что количество выделенного концентрация летучих веществ зависит как от температуры материала-источника летучих веществ, так и от их начальной концентрации в нём. Образец материала, кинетика которого снималась при 100 °С, перед экспериментом был выдержан в нормальных условиях на один месяц дольше после изготовления, по сравнению с двумя другим. Следовательно, начальная концентрация летучих веществ в нём была меньше, но, несмотря на это, в первые моменты времени потеря массы этим образцом больше, чем у образца при температуре 70 °С (5, б). Влияние

переменного температурного режима материала-источника летучих веществ демонстрируется на графиках 5, в и 5, г.

I, час

Рис. 5. Экспериментальные кривые кинетики газовыделения (а, б) и конденсации ЛВ (в, г) при разных температурных режимах материала ЭКОМ-1.

В третьей главе представлены: математические модели и результаты экспериментальных исследований влияния УФ излучения на процессы газовыделения материалами терморегулирующих покрытий КА; модели конденсации образовавшихся ЛВ; результаты сравнительного анализа исследований влияния. ультрафиолетового излучения на кинетику газовыделения ПКМ с различными весовыми соотношениями наполнителя и полимерного связующего при различных температурах.

Воздействие УФ излучения на ПМК в вакууме добавляет в процесс газовыделения диффузию и десорбцию летучих веществ генерированных в твердом теле и на его поверхности при воздействии электромагнитного излучения; испарение (сублимацию) твердого тела, вызванного воздействием ультрафиолетового излучения..

УФ излучение составляет всего около 7,6 % в спектре излучения Солнца, однако вклад в газовыделение за счёт фотолиза полимерных материалов может

существенно превышать его энергетическую долю в спектре солнечного излучения. Это обусловлено рядом особенностей фотохимических процессов, протекающих при воздействии ультрафиолетового излучения Солнца:

1) спектры собственного поглощения некоторых полимерных материалов находятся, в основном, в области вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ излучение), или поглощение в длинноволновой УФ области сравнительно слабое;

2) в некоторых полимерах образуются хромофорные группы, поглощающие излучение в более длинноволновой области, что, в свою очередь, приводит к росту поглощения такого излучения;

3) линейные коэффициенты поглощения полимеров в диапазоне ВУФ излучения составляют около 104 - 105 см-1, поэтому оно поглощается в тонком приповерхностном слое толщиной около 0.1-1 мкм, что обуславливает большую поглощенную дозу в этом слое;

4) квантовые выходы газообразных продуктов при воздействии коротковолнового излучения выше, чем при действии длинноволнового света.

Два последних обстоятельства могут привести к эффекту фототравления - переводу в летучие продукты приповерхностного слоя полимера. Кроме того, малая толщина поглощающего слоя даёт возможность перехода в газовую фазу тяжелых легко конденсируемых молекул. Необходимо отметить, что для большинства полимеров величины квантовых выходов многих газообразных продуктов быстро спадают с ростом дозы облучения. Однако в случае фотодеструкции главной полимерной цепи полимеров наблюдается обратная картина. УФ-фотолиз полимеров в отличие от их радиолиза, как правило, сопровождается изменениями квантовых выходов и состава газообразных продуктов.

При моделировании газовыделения ПКМ под воздействием УФ излучения продукты газовыделения разбиты на две основные группы: компоненты, способные и неспособные диффундировать («тяжёлые») в материале-источнике ЛВ. «Тяжёлых» компонентов в потоке продуктов газовыделения может быть сравнительно немного, но они могут внести значительный вклад в общую массу при конденсации на чувствительных к загрязнениям поверхностях КА.

Для математического описания влияния УФ излучения на физико-химические процессы, происходящие как внутри материала, так и на его поверхности, использованы основные положения, принятые в модели газовыделения материалами покрытий КА при термовакуумном воздействии. При этом были учтены процессы, участвующие в газовыделении при воздействии на них УФ излучения: изменение Ся(х,0 в материале за счёт фотодеструкции материала; влияние УФ излучения на приповерхностные процессы.

В зависимости от эффективных коэффициентов линейного ослабления УФ излучения в исследуемых материалах рассмотрены модели объёмного и приповерхностного поглощения ультрафиолетового излучения.

Изменение концентрации компонентов газовыделения C,(x,t), которые не могут быть образованы в материале под воздействием УФ излучения из других компонентов в рамках сделанных предположений, можно описать дифференциальными уравнениями:

удовлетворяющим начальным и граничным условиям:

где - параметр воздействие УФ излучения на приповерхностные процессы с

участием i-и компоненты, мкм-с-1;

S,(x,t) - функция источника i-й компоненты, обусловленная воздействием УФ

излучения на ПМК. пои эксплуатации может, напоимео. иметь вил я

S, (*, 0 = - JV^C, (х,0 + А„ ехр[а(х - Л)] [sin со/+|sin <у/|] (2.4) «=i

где - весовой коэффициент фотолиза i-й компоненты по n-му каналу; Аы - интегральный параметр, зависящий от состава материала и спектра УФ излучения; - эффективный коэффициент линейного ослабления УФ излучения в данном материале, зависящий от спектра источника излучения; а; - параметр цикличности воздействия УФ излучения;

«»=£ rü-e,; (2.5)

»i

- весовой коэффициент фотолиза i-и компоненты по n-му каналу; в, - Гоэффициент генерации i-й компоненты за счет фотолиза материала.

«Тяжёлые» компоненты газовыделения не могут диффундировать в материале источника JIB, поэтому, достаточно рассмотреть динамику изменения их концентрации в приповерхностном слое (x = h-u-t), которую можно описать с помощью уравнения

jc:(h-o-u)_k:c:{h_vtt)+s:{tl (26)

at

C,V.O |,.0 = К для х е [о,А]

где к* - эффективный коэффициент десорбции i-й «тяжёлой» компоненты, с"1; S'{i) - функция источника i-й «тяжёлой» компоненты, генерируемой УФ излучением на поверхности материала-источника ЛВ.

Интенсивность воздействия УФ излучения на материалы в реальных условиях эксплуатации часто является функцией, зависящей от времени. «Отключение» или «включение» источника УФ излучения (материал на поверхности КА попадает в область «тени» или выходит из неё) можно описать с помощью следующего подхода к решению задачи. Предположим, что образец материала находился в вакууме при постоянной температуре, а с момента времени 10 на него начинает воздействовать УФ излучение (при той же температуре). Тогда, одновременно с «включением» источника УФ излучения происходит изменение эффективных коэффициентов десорбции и фотодеструкции материала, что приводит к изменению концентрации ЛВ в нём. Для численного анализа процессов, происходящих при «включении» источника УФ излучения, можно использовать решение уравнения (2.1) -(2.3), имеющее вид:

+ 1 +Д)(Г-5)]сй-со8/11х> 'В„ = ¡5{х,1)со$Л„хсЬс,

Решение модельного уравнения, описывающего изменение концентрации компонентов газовьтделения в материале ппи объёмном поглощении УФ излу-

N

чения в нем, когда имеет вид:

«=|

+ОЛехр|(д. )]-1}}ехр[-»{д (2.8)

При лабораторных исследованиях влияния УФ излучения на газовыделение ПКМ и конденсации образовавшихся ЛВ, когда за время наблюдения изменением толщины образца материала можно пренебречь, из решения системы (1.7)-(1.8) для величины М() получается выражение

К(0 -+|ч> ■-ехр(-^/))}

Па ~Ъ% ка

(2.9)

я. =А,

Л„ яп 2 Л„А+2а • со5Л„//[со8Л„Л - ехр(-а • Л)]

, 2Д

/Д /А,)'

где Л.-

Масса «тяжёлой» компоненты газовыделения /-го типа Ма осевшая к моменту времени t на единице площади поверхности конденсации и определённая при решении системы (2.6)-(2.7), равна

Ли0 = ехрН7с0{^ + }я;(£)ехр(А(£)</ДОг} (2.11)

Константы, фигурирующие в выражениях (2.10)-(11), в основном, и определяют скорости газовыделения ПКМ и скорости осаждения и ремиссии ЛВ с поверхности конденсации в подобных случаях.

Общую массу ЛВ, осаждённую на поверхности конденсации, можно определить суммированием масс отдельных компонентов:

мсиш( 0 = £[Аи0 + Л,,(',*„)]. (212)

где . часть массы ЛВ п-го типа, вступившая в химические реакции на

поверхности конденсации к моменту времени ^ N - число компонентов.

Изменение пространственно-временного распределения концентрации ЛВ при повышении температуры материала (6, а) и включении источника УФ излучения (6, б), воздействующего на него с момента времени продемонстрировано на рис.6. Воздействие ультрафиолетового излучения на приповерхностный слой материала-источника приводит к повышению в нём концентрации летучих веществ за счёт его фотодеструкции.

На рис.7 представлены экспериментальные графики кинетики конденсации продуктов газовыделения при разных значениях температуры и коэффициентов линейного ослабления УФ излучения образцов материалов (при включении и выключении источника УФ излучения).

{. час I. час

Рис. 7. Экспериментальные кривые -кинетики осаждения продуктов газовыделения (а) - «прозрачного» и (б) - «непрозрачного» материалов при разных значениях температур и воздействии на них источника УФ излучения.

В четвёртой главе представлены: модель воздействия электронного излучения космического пространства на ПКМ внешних покрытий КА; математические модели и результаты экспериментальных исследований влияния электронного излучения на процесс газовыделения материалами покрытий КА и модель конденсации образовавшихся ЛВ; результаты расчётов интегральных характеристик воздействия электронного излучения с энергией кэВ на

полимерные композиционные материалы.

Важнейшими механизмами газовыделения материалами покрытий внешних поверхностей КА являются радиационно-химическое разложение ПКМ, диффузия и термическая десорбция образовавшихся ЛВ. Осаждение продуктов газовыделения на внешних поверхностях КА обусловлено конденсацией высокомолекулярных и радиационной полимеризацией низкомолекулярных летучих веществ на. них.. На радиационно-стимулированную адсорбцию, десорбцию и диффузию отдельных компонентов газовыделения влияют следующие факторы:

1) радиолиз органических составляющих ПКМ, применяемых на внешних поверхностях КА, и изменения коэффициентов десорбции, адсорбции и диффузии ЛВ при воздействии электронного излучения;

2) радиационные дефекты различной природы, образующиеся на поверхности конденсации ЛВ при воздействии электронного излучения;

3) структурные изменения приповерхностных слоев как материала-источника летучих веществ (например, разрыхление), так и поверхностей конденсации;

4) появление электрических полей, обусловленных накоплением объёмного заряда в некоторых материалах.

Как правило, основной вклад в приповерхностную поглощённую дозу материалов КА вносят низкоэнергетические ионизирующие излучения КП. Для определения дозовых нагрузок от низкоэнергетической части спектра электронного излучения КП была разработана расчётная программа на основе метода Монте-Карло. Расчёт интегральных характеристик воздействия электронного излучения проводился при подготовке и интерпретации результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований радиационно-стимулированных процессов газовыделения ПКМ и конденсации образовавшихся ЛВ на чувствительных к загрязнению поверхностях КА. На рис. 8 приведены результаты расчётов распределения поглощённой энергии по глубине ПКМ (ЭКОМ-1) для разных начальных энергий электронов Еое при нормальном падении пучка на мишень.

Рис. 8. Распределения поглощённой энергии по глубине ПКМ (ЭКОМ-1) при разных начальных энергиях электронов Еое=20; 30; 40; 50 кэВ.

Характеристики воздействия электронного излучения на ПКМ (ЭКОМ-1), рассчитанные методом Монте-Карло, представлены на рис. 9. Зависимости энергетических коэффициентов отражения 9, а и прохождения 9, в необходимо

учитывать при определении дозовых нагрузок на исследуемые материалы (на рис. 9 они приведены для начальных энергий электронов Еое=20; 30; 40; 50 кэВ). Для детального анализа результатов воздействия электронного излучения на ПКМ необходимо знать изменение спектрального состава излучения по глубине материала. На графиках 9, б и 9, г приведены спектры электронов с начальной энергий кэВ, отражённых от барьеров различной толщины и прошедших через барьеры различной толщины из полимерного композиционного материала (ЭКОМ-1 начиная с Б=0.5 мг/см2) при нормальном падении пучка на мишень.

'»«» Е.пзВ

Рис. 9. Зависимости энергетических коэффициентов отражения (а) и прохождения (в) от энергии электронов Е« и энергетические спектры электронов с энергией Еое=40 кэВ, отражённых (б) от барьеров и прошедших (г) барьеры разной толщины (материал ЭКОМ-1).

Аналогично математическим моделям, представленным в предыдущих главах, изменение концентрации /-ой компоненты ЛВ в материале при воздействии электронного излучения можно описать дифференциальным уравнением:

= |)-ЛС,<х./)-£а-С<хД (3.1)

УДПЯПРТЯППЯТПТТТММ ЫЯЧЯТТКЫКТМ IT гпяымчыктм угттпяидм'

(3.2)

где аю - параметр влияния электронного излучения на приповерхностные процессы с участием ЛВ /-го типа, мкм-с"1; весовой коэффициент радиацион-но-стимулированной деструкции ЛВ /-го типа по т-Щ каналу, S^ix,!) функция источника ЛВ /-го типа, определяемая воздействием электронного излучения на материал.

Результаты расчётов поглощённой дозы электронного излучения космического пространства в материалах покрытий КА показали, что в качестве функции, аппроксимирующей её распределение по глубине материала, можно подобрать экспоненциальную функцию или функцию, состоящую из суммы двух экспоненциальных функций, которую, обычно, можно представить в следующем виде

S';"(*,/), = Л,о exP[°wo(х + и-/-Л)] + Л„ expta^,(x + u-t-h)],

где Ai0,Ait - параметры, зависящие от состава исследуемого материала и спектра электронного излучения;, а^га,^,-' эффективные коэффициенты линейного ослабления дозовых нагрузок от низкоэнергетической и высокоэнергетической частей спектра электронного излучения космического пространства, соответственно.

Влияния электронного излучения на концентрацию ЛВ в материале при различных значениях параметров модели демонстрируется на рис. 10. При одинаковых значениях параметров D, к , р и температуры Т материала графики 10, а и 10, б представляют собой закономерности изменения концентрации JIB в материале для случаев, когда А1О=А„=0; Л = 1 (тепловое воздействие) и A¡a =0.01, Ал =0.002, Л = 1 (тепловое воздействие совмещено с воздействие электронного излучения), соответственно. Из этих графиков видно, что во втором случае концентрация ЛВ в материале со временем становится заметно больше, чем в первом. Это обусловлено радиационно-стимулированным образованием ЛВ в материале. Функция на графике 10, г представляет собой распределение концентрации ЛВ, генерируемого в ПКМ электронным излучением, в случае, когда в необлучённом материале ЛВ данного типа не было (Л = 0), а на графике 10, в показан возможный случай, когда облучение приводит к уменьшению концентрации ЛВ.

Рис. 10. Пространственно-временное распределение концентрации ЛВ в материале при разных значениях параметров модели (и=0, /?=1.Е-7, ¿=0.01, £М).001, =0.002); а -Л1О=Л„=0., Я=1.0; б -4, =0.01, #=1.0; в-Ал = - 0.003,Д=1; г- Л|О=0.01, Д=0.; в-А,а = - 0.002, Д=1.

0.1-1-.-,-,-,-,-,-,-,-,-, 1Е-Э-!-,-,-,-,-,-,-,-,---,

а 2а 40 бо во юо о 20 «о ва во юо 1 ** I час

Рис. И. Кинетика газовыделения при Л=1 (а) и Я=0 (б) (0=0.001, ¿=0.01, Л1О=0.01, Ал =0.002, =0.1,=0.02, и = 0).

На рис. 11 представлены функции потери массы ¿51/(<) и скорости газовыделения <#■(!)/<//■ с единицы поверхности материала-источника ЛВ при воздействии на него электронного излучения и разных значениях начальной концентрации ЛВ. Графики 11, а и 11, б соответствуют случаям, когда величина Л равна 1 и 0 (при - совпадении значений других параметров модели: £N0.001, *=0.01, ^Ю"6, Л,0 =0.01, 4, =0.002, а^^ОЛ.а^^ОШ). Воздействие электронного излучения приводит к увеличению концентрации летучих веществ в приповерхностном слое за счёт радиолиза материала и, как следствие, к увеличению потери его массы Это результат конкурирующих процессов: с одной стороны - увеличение скорости химических реакций и деструкции ЛВ, с другой - радиолиз материала, активизация десорбции и диффузии летучих веществ.

Влияние на кинетику конденсации Л В величины параметра ка при термовакуумном воздействии показано на графиках 12, а. На графиках 12, б этого рисунка представлены отклики функций потери массы &/„(/) материала - источника летучих веществ, Л/й(/) - массы, осевшей на единице площади поверхности конденсации, и скорости газовыделения сй-ХО/Л на скачкообразное изменение параметров модели в связи с прекращением воздействия электронного излучения в момент времени ^ = 24 часа.

Рис. 12. Кинетика осаждения компонентов ЛВ с разными коэффициентами ремиссии ка и отклики функций Шм(/), (/^(0/Ж и на воздействие элекгронного излучения до момента времени /0 = 24 часа (б).

В качестве иллюстрации влияния на процесс газовыделения поглощенной дозы воздействующего на материал-источник летучих веществ электронного излучения, на рис. 13 приведены графики кинетики газовыделения образцов материала ЭКОМ-1, облучённых разными потоками электронного излучения: 13, а - Ф=0; 13, б - Ф=5*1013; 13, в - Ф=1015; 13, г - Ф=1016.

Основные результаты и выводы

1. Разработаны аддитивные математические модели, описывающие газовыделение полимерными композиционными материалами покрытий космических аппаратов и конденсацию образовавшихся летучих веществ, для методов прогнозирования газовыделения и загрязнения отдельных поверхностей бортовой аппаратуры продуктами собственной атмосферы.

2. Разработана модель воздействия электронного излучения космического пространства на полимерные композиционные материалы внешних покрытий космических аппаратов. Методом Монте-Карло проведены расчеты основных характеристик взаимодействия электронного излучения с полимерными композиционными материалами.

3. Проведены экспериментальные исследования кинетики газовыделения полимерных композиционных материалов при различных температурных режимах в вакууме.

4. Исследовано влияние на кинетику газовыделения полимерных композиционных материалов ультрафиолетового и электронного излучений.

5: Экспериментально обоснованы: основные положения представленных моделей; зависимости скорости газовыделения полимерными композиционными материалами и конденсации образовавшихся летучих веществ от температуры материала-источника ЛВ и уровней воздействия на него УФ и электронного излучения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Khassanchine R.H., Grigorevskiy A.V. Some aspects of simulation of outgassing processes under thermal vacuum exposure to coatings applied to space vehicles. Protection of Materials and Structures from Space Environment, ICPMSE-6, Toronto-Canada 2002. P. 327-334.

2. Костюк В.И., Хасаншин Р.Х., К вопросу моделирования газовыделения материалами покрытий КА при термовакуумном воздействии, Космонавтика и Ракетостроение, 3 (28), 2002. С.155-163.

3. Khassanchine R.H., Grigorevskiy A.V., Simulation of Outgassing Processes in Spacecraft Coatings induced by Thermal Vacuum Influence. AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, LOG NO: Al1574,2003

4. Хасаншин Р.Х., Костюк В.И. Влияние загрязнения поверхностей космических аппаратов на интегральные характеристики воздействия электронного излучения с энергией Еое< 50 кэВ. Российская научная конференция «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2003».

5. Хасаншин Р.Х. Математическое моделирование конденсации продуктов газовыделения при термовакуумном воздействии на материалы покрытий космических аппаратов. Космонавтика и Ракетостроение, 2003, 4 (33). С.111-120.

6. Хасаншин Р. X., Григоревский А.В., Зеленкевич А.П., Костюк В.И., Просви-риков В.М. Сравнительный анализ влияния отдельных факторов космического пространства на газовыделение композиционными материалами покрытий космических аппаратов. Вторая международная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы », Москва, Россия, 2003.

7. KhassanchineR.H., Grigorevskiy A.V., Galygin A.N., Shuisky M.B., Skurat V.E. Study of UV and electron radiation influence on outgassing processes of spacecraft coatings. Contamination of Optical Equipment Workshop, ESTEC, Noord-wijk, The Netherlands, 2003. P. 1-5.

»■- 35 59

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ

1.1. Основы кинетики и динамики поверхностных явлений

1.2.Моделирование процессов газовыделения и конденсации ЛВ

1.3. Лабораторные и натурные исследования материалов космического назначения

ГЛАВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПКМ В ВАКУУМЕ

2.1.Математическая модель газовыделения

2.2.Математическая модель конденсации летучих продуктов, образованных при газовыделении полимерными композиционными материалами 56 2.3.Экспериментальные исследования кинетики газовыделения при различных значениях температуры материала 66 Выводы по второй главе

ГЛАВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПКМ

3.1.Математическая модель влияния УФ излучения на процесс газовыделения ПКМ 86 3.2.Экспериментальные исследования влияния ультрафиолетового излучения на кинетику газовыделения 99 Выводы по третьей главе

ГЛАВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПКМ

4.1. Расчёт интегральных характеристик взаимодействия электронного излучения с ПКМ

4.2. Математическая модель влияния электронного излучения на газовыделение ПКМ.

4.3. Экспериментальные исследования влияния электронного излучения на газовыделение ПКМ. 130 Выводы по четвертой главе

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают комплексом свойств, позволяющим использовать их в качестве внешних покрытий различных космических аппаратов (КА). При этом, газовыделение этих материалов в условиях эксплуатации является одним из основных источников летучих веществ, способных конденсироваться на чувствительных к загрязнениям поверхностях бортовой аппаратуры, таких как поверхности оптических систем управления, элементов солнечных батарей и т.д. Это обстоятельство, в свою очередь, является одним из факторов, потенциально ограничивающих работоспособность и срок службы КА. С дальнейшим увеличением сроков активного существования космического аппарата создание прогностических моделей газовыделения материалами покрытий и загрязнения чувствительных поверхностей продуктами собственной атмосферы КА становится всё более актуальной задачей [1-6].

В общем случае, газовыделение полимерными композиционными материалами в вакууме складывается из следующих основных процессов:

• десорбции летучих веществ, адсорбированных на поверхности ПКМ или образовавшихся на нём при воздействии внешних факторов;

• диффузии и десорбции летучих веществ, абсорбированных ПКМ или образованных в нём в результате термической деструкции, воздействия электромагнитного или ионизирующего излучения;

• испарения (сублимации) полимерного композиционного материала в вакууме, вызванного воздействием внешних факторов.

Поскольку энергия связи молекул полимерных материалов может быть сравнимой или меньше, чем энергия некоторых квантов электромагнитного излучения, то их воздействие, как и воздействие ионизирующих излучений, на эти материалы может усилить эффект сублимации в вакууме.

Таким образом, газовыделение материалами покрытий К А - это результат нескольких процессов, происходящих в полимерных композиционных материалах и на их поверхностях, как реакция на внешнее воздействие.

С увеличением длительности полетов КА и их конструкционной сложности появляется необходимость развития инженерных моделей современного уровня, описывающих процессы газовыделения материалами покрытий и конденсации образовавшихся летучих веществ на отдельных поверхностях космического аппарата. При постоянном улучшении качества знания о физико-химических процессах, происходящих на границе материал-вакуум под воздействием факторов КП, основными направлениями исследований являются [1-10]:

- идентификация источников загрязнения;

- изучение их кинетики газовыделения;

- исследование конденсации продуктов газовыделения;

- анализ снижения эксплуатационных характеристик большинства приборов, чувствительных к загрязнению.

При выборе процессов, определяющих исследуемые явления, необходимо идентифицировать компоненты летучих веществ (ЛВ), участвующие в них, и оценить уровни воздействия факторов космического пространства (ФКП) на орбите, на которой предполагается эксплуатация данного материала. Так, например, на некоторых околоземных орбитах молено пренебречь влиянием на процесс газовыделения электронного и протонного излучения по сравнению с влиянием ультрафиолетового излучения (УФ), воздействующего на материал - источник JIB, а на геостационарной орбите их влияние становится определяющим. Для понимания макроскопических особенностей воздействия ФКП на газовыделение полимерными композиционными материалами в вакууме необходимо отдельно исследовать влияние на этот процесс температуры материала - источника летучих веществ, воздействия на него УФ и ионизирующего излучения космического пространства.

Выводы по четвёртой главе,

1. Разработана математическая модель, описывающая влияние электронного излучения на процесс газовыделения полимерными композиционными материалами. Получены решения уравнений модели, учитывающей распределение поглощённой дозы электронного излучения в исследуемых материалах.

2. Результаты численного анализа влияния электронного излучения на кинетику газовыделения показали существенность вклада в исследуемый процесс как распределения поглощённой дозы, так и значений отдельных параметров модели.

3. Разработана расчётная модель воздействия электронного излучения космического пространства на материалы покрытия КА, с учётом низкоэнергетических частей спектров (1 кэВ < Еос^ЮО кэВ). Проведены расчёты основных интегральных характеристик взаимодействия низкоэнергетических электронов с исследуемыми материалами.

4. Результаты экспериментов, проведённых с образцами материалов, облучённых различными потоками электронного излучения, подтвердили предположения о зависимости состава летучих веществ и скорости газовыделения исследуемыми материалами, как от плотности, так и от величины потока электронного излучения.

5. Анализ результатов проведённых экспериментов показал, что потери массы при 100 °С необлучённых и облучённых образцов в зависимости от интегрального потока воздействующего электронного излучения в относительных единицах составляют: 1; 1.47; 4.14; 6.8 при потоках: Ф =0.; 4.72*1013;2.26*1015; 1.35*1016 электронов/см2, соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработаны математические модели, описывающие процесс газовыделения полимерными композиционными материалами в вакууме при постоянной и переменной температуре материала-источника летучих веществ, и модели конденсации образовавшихся летучих продуктов. Для оценок результатов лабораторных и натурных исследований газовыделения ПКМ, при разных температурных режимах материала - источника ЛВ, получены решения уравнений математических моделей.

2. Результаты численного анализа влияния температуры материала-источника ЛВ на кинетику газовыделения показали существенность вклада в исследуемый процесс каждого, учитываемого в математических моделях, физико-химического явления и помогли пониманию сути процессов, наблюдаемых при лабораторных и натурных исследованиях газовыделения ПКМ, и подготовке экспериментов.

3. Для исследования кинетики газовыделения ПКМ при различных температурных режимах и проверки основных предположений, на которых построены математические модели, был проведён ряд экспериментов. Результаты изотермических исследований показали, что при более высокой температуре количество выделенного ЛВ из материала существенно больше, что объясняется увеличением скорости газовыделения, которое связано с увеличением эффективных коэффициентов диффузии, десорбции и термической деструкции материала. Полученные результаты подтверждают предположение модели о том, что масса выделенных летучих веществ зависит не только от температуры, но и от их начальной концентрации в материале.

4. Впервые проведены эксперименты по исследованию влияния термоцик-лирования материала-источника ЛВ на процесс газовыделения. Полученные результаты необходимо учитывать при испытаниях материалов в установках, моделирующих условия эксплуатации, и рекомендовать при проведении прогностических оценок уровней загрязнения поверхностей устанавливаемой на КА аппаратуры.

5. Экспериментальные исследования кинетики газовыделения при пошаговом изменении температуры образца материала дополнительно подтвердили правильность интерпретации результатов, полученных при термо-циклировании, и основных предпосылок математических моделей. Графики кинетики газовыделения, полученные при экспериментальных исследованиях, можно использовать для определения или оценки некоторых параметров модели.

6. Разработаны математические модели, описывающие процесс газовыделения при объемном и приповерхностном поглощении УФ излучения в материале-источнике J1B, и модель конденсации образовавшихся летучих продуктов. Получены решения уравнений моделей газовыделения при воздействии на ПКМ УФ излучения переменной интенсивности.

7. Результаты численного анализа и экспериментальных исследований влияния УФ излучения на кинетику газовыделения подтвердили предположения о зависимости скорости газовыделения исследуемых материалов от их линейного коэффициента поглощения УФ излучения и температуры. Они также показали, что УФ излучение влияет не только на процесс газовыделения, но и на конденсацию образовавшихся J1B.

8. Показано, что скорость газовыделения за счет воздействия УФ излучения увеличивается с ростом температуры материала от 20 °С до 100 °С, а ближе к 125 °С падает, хотя скорость газовыделения продолжает расти, что связанно с возрастающей ролью термической деструкции материала-источника JIB.

9. Разработана расчётная модель воздействия электронного излучения КП с учётом низкоэнергетической части спектра на материалы покрытия КА. На основе метода Монте-Карло проведены расчёты основных интегральных характеристик взаимодействия низкоэнергетических электронов с материалами, исследуемыми на газовыделение в вакууме при воздействии электронного излучения.

10.Разработана математическая модель влияния электронного излучения на процесс газовыделения ПКМ в вакууме. Результаты численного анализа влияния электронного излучения на кинетику газовыделения показали существенную зависимость исследуемого процесса от функции распределения поглощенной дозы и от отдельных параметров математической модели.

11.Результаты экспериментов, проведённых с образцами материалов, облучённых различными потоками электронного излучения, подтвердили предположения о зависимости скорости газовыделения исследуемых материалов и состава летучих веществ, как от плотности, так и от величины потока и спектра электронного излучения.

1. D. Faye : "Projet SPOT 5 / HEL1.S II : caracterisation optique de la contamination moleculaire issue de la peinture MAP PU1", document CNES, 1999.

2. J.W. Moore, R.G. Pearson : "Kinetics and Mechanism", John Wiley & Sons, NY, 3rd ed., 1981.

3. R. Bouquet : "Developpement d'une application d'analyse des courbes de degazage des materiaux", rapport de stage CNES, 1999.

4. R. Epenoy : "Cinetique de degazage d'un polymere estimation par moin-dres carres des coefficients de la cinetique a partir des differents types d'ex-perimentations", document CNES, 1998.

5. P. Cheoux-Damas, C. Theroude, L. Ounougha : "Contamination Modelling in Space Environment", Proceedings of the 6th International Symposium on Materials in Space Environment, ESA SP-368, The Netherlands, 1994, pp. 45-50.

6. J. Sorensen : "ESABASE OUTGASSING : application manual", ESA publications division, ESABASE/OGS-UM-013, issue 2, 1995

7. P. Cros : "Etude de la contamination moleculaire par maquettage : rapport final", document MATRA MARCONI SPACE, 1999.

8. J. J. Scialdone, "Some Sources of Contaminants in the Shuttle Bay," SPIE Proceedings,The Intern. Society for Optical Eng., Paper No. 208, Vol. 2864, Denver, Colorado, August 1996.

9. N. A. Walter, J. J. Scialdone, "Outgassing Data for Spacecraft Materials," NASA Ref. Publ. 1124, Rev. 4, 1997.

10. A. Zwaal, "Verification of Baking Efficiency Using MicroVCM Test Data," Proceedings of NASA Conference, Publication No. 3341, Baltimore, Maryland, October 1996, p. 25.

11. Gardner, W.C (1969). Rates and Mechanisms of Chemical Reactions.

12. Bernstein, R.B. (1982). Chemical Dynamics via Molecular Beam and Laser Techniques. Oxford: Clarendon.

13. E.H.Kennard, Kinetic Theory of Gases, N.Y. (1938).

14. H.Hertz, Ann. Phys., 17, 177 (1882).

15. M.Knudsen, Ann. Phys., 29,179, (1911).

16. M.Knudsen, Ann. Phys., 34, 593, (1911).

17. J.E. Lennard Jones, A.F. Devonshire, Proc. Roy.Soc. (London), A156, 6 (1936); A.F. Devonshire ibid, A156, 269 (1937).

18. C. Zener, Phys.Rev., 43, 335 (1932).

19. Г. Месси, Е.Бархоп. Электронные и ионные столкновения, ИЛ, 1958. a. Langmuir, Phys.Rev., 8, 149 (1916).

20. N. Cabrera, Disc. Faraday Soc., 28, 16 (1959).

21. R.W. Zwanzig, J. Chem. Phys., 32, 1173 (1960)

22. E. Schredinger, Ann. Phys., 44, 916, (1914).

23. J.P. Hirth, G.M. Pound, J. Phys. Chem., 64, 619 (1960). 24.S. Miyamoto, Trans. Faraday Soc., 29, 794 (1933).

24. N. Fuchs, Phys. Z. Sowiet, 4,481 (1933).

25. J.E. Lennard Jones, Proc. Roy.Soc. (London), A163, 127 (1937).

26. J.H. McFee, Ph.D. Thtsis, Carnegie Institute of Technology (1960).

27. J.E. Lennard Jones, C. Strachan, Proc. Roy.Soc. (London), A150, 442 (1935).

28. G.W. Sears, J.W. Cahn, J. Chem. Phys., 33, 494 (1960). 30.1che, G., Nozieres, P. (1976) J. Phys. 37, 1313, Paris

29. Glasstone, S., Laidler, K.J., Eyring, H. (1941). The Theory of Rate Processes. New York: McGraw-Hill. 32.Sunjic, V., Lucas, A.A (1971). Phys. Rev. B3, 719.

30. Lennard-Jones, J.E., (1932). Trans. Farad. Soc. 28, 333.

31. Redhead, P.A., (1962). Vacuum 12,203.

32. Van Kampen, N.G., (1981). Stochastic Processes in Physics and Chemistry. Amsterdam: North-Holland.

33. Kubo, R., Toda, M., (1985) Statistical Physics II. Berlin: Springer-Verlag.

34. Mazenko, G., Banavar, J.R., Gomer, R. (1981). Surf. Sci. 107,459.

35. Moore, J.W., Person, R.G.: " Kinetics and Mechanism", John Wiley and Sons, NY, 3rd ed., 1981.

36. J.Guillin: "Evaluation of isothermal outgassing kinetics for some materials used in apace", Proceedings of the Third European Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment, ESA SP-232, The Netherlands, October 1985, pp. 35-38.

37. E.V.Bystritskaya, A.L.Pomerantsev, O.Ye.Rodionova, J. Chemometrics, 14, 667-692, 2000.

38. SSC-6 Web page, (2000) http://www-pors.hit.no/-junh/ssc6/ssc6.htm

39. S.D.Brown, S.T.Sum, F.Despagne, B.K.Lavine, Anal.Chem., 68, 21R-61R, 1996.

40. D.E.Farrar, R.R.Glauber, The Review of Economics and Statistics, 49, 1967.

41. В.Г. Горский, Планирование кинетических экспериментов, Москва, Наука, 1984.

42. Martens Н., Naes Т. Multivariate Calibration, Wiley, New York, p.419, 1998.

43. Esbensen K.H. Multivariate Data Analysis In Practice 4-th Ed., САМО, p. 598, 2000.

44. Kramer R. Chemometric Techniques for Quantitative Analysis, Marcel-Dekker, p. 215, 1998.

45. D.W. Marquardt, SIAM J., 11, p.p. 431-441, 1963.

46. J.R.Chambers, Biometrica, 60, p.p. 1-13, 1973.

47. Дрейпер H., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ, Москва, Финансы и Статистика, 1987.

48. B.Efron, Ann. Statist., 7, p.p. 1-26, 1979.

49. B.Efron, Journal. Amer. Statist. Ass., 81, 1987.

50. Б.Эфрон, Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа, Москва, Финансы и Статистика, 1988.

51. A.L. Pomerantsev, Chemometric Intell. Lab. Syst, 49, p.p.41-48, 1999.

52. Fitter Add-Inn. (1998), http://polycert.chph.ras.ru/fitter.htm

53. Yoshio Sone, "Kinetic Theory of Evaporation and Condensation Linear and Nonlinear Problems", Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 45 No.l, July, 1978, pp. 315-321.

54. Y.P. Pao, Phys. of Fluids, 14, 1971, p. 306.

55. Y.P. Pao, Phys. of Fluids, 14, 1971, p. 1340; Erratum, Phys. of Fluids, 16, 1973, p. 1560.

56. Y. Sone and Y. Onishi: Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 35 , 1973, p. 1773.

57. C.E. Siewert and J.R. Tomas, Phys. of Fluids, 16, 1973, p. 1557.

58. M.N. Kogan and N.K. Makashev, Fluid Dynamics 6, 1971, p. 913.

59. P. Gajewski, A. Kulicki and M. Zgorzelski: Phys. of Fluids, 17, 1974, p.321,

60. T. Ytrehus: in Rarefied Gas Dynamics, AIAA, Vol. 51, New York, 1977.

61. H. Oguchi and M. Hatakeyma, in Rarefied Gas Dynamics, AIAA, Vol. 59, New York, 1987.

62. Y. Sone, in Rarefied Gas Dynamics, ed. D. Dini Vol. 2 , July, 1972, p. 737.

63. B.K. Chakraverty, Surf. Sci. 4, 205, 1966.

64. G. Zinsmeister, in Basic Problems in Thin Film, edited by R. Niedermayer and H. Mayer Eng. tr.; Vacuum, 16, 52, 1966. pp.529-535.

65. G. Zinsmeister, Thin Solid Films 2,497, 1968.

66. G. Zinsmeister, Thin Solid Films 4, 363, 1969.

67. W.G. Courtney, J. Chem. Phys. 36, 2009, 1962.

68. R.P. Andres, M. Boudart, J. Chem. Phys. 42, 2057, 1965.

69. B. Lewis, J.C. Anderson, Nucleation and Growth of Thin Films (Academic, New York, 1978), pp.139-294.

70. S. Brunauer, P.H. Emmett, E. Teller, J. Am. Chem. Soc. 60, 309, 1938.

71. В. Lewis, J.C. Anderson, Proceedings of an International Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment Toulouse, France, 1982, pp.4552.

72. Fowler R.H., Guggenheim E.A., Statistical Thermodynamics, Cambridge, England, 1952 (Фаулер Р.,Гуггенгейм Э., Статистическая термодинамика, М., ИЛ,1945).

73. Ross S., Olivier J.P., The Adsorption Isotherm, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York, 1959, p. 38f.

74. Hill T.L., J. Chem. Phys. 15,767 1947.79.1sirikyan D.M., Kiselev A.V., J. Chem. Phys. 66, 205, 210, 1962.

75. Young D.M., Crowell A.D., Physical Adsorption of Gases, London, 1962.

76. Хениг Дж., в кн. «Межфазная граница газ твердое тело», под ред. Флада Э., М., «Мир», 1970.

77. McClellan A.L., Harnsberger H.F. J/ Colloid Interface Sci., 23, 577, 1967.

78. J.W.Garret, A.P.M. and P.M.Falco. The AFML / Lockheed test method for characterizing material outgassing and deposition kinetics/ AIAA Paper 861279, 1986. /Mf-u-61479-86; R/2668/.

79. J.Haruvy, Radiat. Phys. Chem., 1990, v.35. Nos.1-3. pp 204-212.

80. Standard test method for Total Mass Loss and Collected Volatile Condensable Materials from Outgassing in Vacuum Environment: ASTM, Annual report. ASTM E595-77, 1977. Part 41. pp 761-769.

81. FSU Standard GOST R 50109-92.

82. Outgassing Data for Selecting Spacecraft Materials. NASA-RP-1124,1987.

83. R.Moss, Using the outgassing test to screen materials for contamination potential. //SAMPLE J. March/April, 1984. pp 7-12.

84. A.T.Chen and all. Non-standard method for material outgassing rate measurement. //AIAA Paper 1990.

85. J.Falco. Standardized Spacecraft Materials Outgassing and Spacecraft measurements tests. //Proc. Of international technical conference of SAMPLE. Seattle 1986, pp.248-261.

86. H.K.A.Kan Space environment effects on spacecraft materials. //SPIE Proc. v.541/ Radiation Effects in Optical Materials. 1985 pp. 164-180/

87. В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики. M. "Высшая школа", 1989.

88. С.Н.Вернов. Модель космического пространства. Москва. 1983г.

89. Applications of piezoelectric quartz crystal microbalances. Vol.7 of Methods and Phenomena their Applications in Science and Technology, 1984.

90. M.C. Fong, A.L. Lee, and P.T. Ma, "External Contamination Environment of Space Station Customer Servicing Facility", Lockheed Missiles Space Company, Inc. Sunnyvale, CAAAIA 22nd Thermophysics Conference June 8-10, 1987/Honolulu, Hawaii, AAIA-87-1623.

91. M.C. Fong, C.K. Liu, and A. Klavins, "Contamination Control of Long-Life Shuttle Payloads", Lockheed Missiles Space Company -D494991, December 19, 1975.

92. M.C. Fong A. Klavins and A.L. Lee, "Shuttle Orbiter Abort Entry Contamination Analysis", Lockheed Missiles Space Company D/62- 63 TSS-162, February 1980.

93. S.J. Robertson, "Bhatnagar-Cross-Krook Model Solution of Backscattering of Outgas Flow from Spherical Spacecraft", Rarefied Gas Dynamics, 1977, pp. 479-489.

94. F.C. Wang, "A Molecular Scattering Mode for Spacecraft Self- Contamination Studies", AAAIA 22nd Thermophysics Conference June 8-10, 1987/Honolulu, Hawaii, AAIA-87-1620.

95. F.C. Wang," A BGK Mode Study of Spacecraft Self- Contamination", Lockheed Missiles Space Company HREC TR-D697965, June 8-10, 198.

96. David F. Hull, "Flight measurement of molecular contamination environment." Proceeding of the Sixth International Symposium on Materials in a Space Environment, ESTEC, Nordwijk, The Netherlands, 19-23 September 1994.

97. Hall D.F., "Spacecraft contamination flight measurement program." AIAA Preprint 87-1624, Presented to AIAA 22nd Thermophysics Conference, June 1987.103.2825 Laguna Canyon Rd., Laguna Beach, CA 92652-0277, USA.

98. H. К .A. Kan, "Desorptive transfer: A mechanism of contamination transfer in spacecraft", J. Spacecraft, Vol. 12, №1. pp. 62-64, January 1975.

99. David F. Hull, "Flight measurement of molecular contaminant deposition environment." Proc. SPIE Vol. 2261.

100. David F. Hull, "Current flight result from the P78-2 spacecraft contamination and coatings degradation experiment", Proceedings of an International Symposium on Materials in a Space Environment, ESA, SP-178, pp. 143148, 1982.

101. A.P.M. Glassford " Practical Model for Molecular Contaminant Deposition Kinetics", J. Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 12, №1, pp. 656-664, October-December 1992.

102. A.P.M. Glassford and J.W. Garrentt, "Characterization of contamination generation characteristics of satellite materials", WRDC- TR-89-4114, pp.5-18, November 22, 1989.

103. Дорофеев Ю.И., Скурат B.E. Успехи химии. 1982. T.51. Вып. 6. с.925.

104. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е. Химия высоких энергий. 1979. Т. 13. №2. с.148.

105. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е. Химия высоких энергий. 1988. Т.22. №3. с.245.

106. Хрущ Б.И. Химия высоких энергий. 1977. Т.П. №5. с.332.

107. Валиев К.А. и др. Поверхность. Физика, химия, механика. 1985. №6. с.86.

108. Б.А. Брискман и др. Химия высоких энергий. 1988. Т.22. №3. с.245.

109. Б.А. Брискман и др. Атомная энергия. 1988. Т.22. №3. с.245.

110. Б.А. Брискман, В.К. Милинчук, В сб. «1 Всесоюзное Совещ. Диэлектрические материалы в экстремальных условиях» т.2. Суздаль, 1990, с. 239-256.

111. D.F. Hall, "Photo-enhanced Spacecraft Contamination Deposition", ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1-4 Oct. 1085, pp. 39-48.

112. C.O. Kung, A.N. Wright "Surface Photopolymerization from Hexachlor-butadiene", J. Chemical Society, Faraday Trans.,68, part 1, pp. 140-149, 1972.

113. Thomas B. Stewart and all., Photochemical Spacecraft Self-Contamination: Laboratory Results and Systems Impacts., J. Spacecraft VOL.26, No.5, 1989.

114. Roffey, C.G., Photopolymerization of Surface Coatings, Wiley, New York, 1982.

115. Kruger, Rand Shapiro, H., NASA TM-81999, Aug. 1980.

116. Elirlich, D.J. and Tsao, J.A.,"A Review of Laser Microchemical Processing", J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 1, No.4, Oct. 1983. pp. 969-984.

117. Maylotte, D.H. and Wright, A. N., "Surface Photopolymerization of Tetra-fluoroethylene. Faraday Discussions of the Chemical Society, Vol. 58, 1975. pp. 292-300.

118. Химия полимеров. M., "Наука", 1973.Hall, D. F., Stewart, T.B., "Photo-Enhanced Spacecraft Contamination Deposition" AAIA Paper So-1356, June 1985.

119. Arnold, G. S. and Hall, D.F. "Contamination of Optical Surfaces", Space Station Contamination Workshop Processing, NASA CP-3002, May. 1988. pp. 101-108.

120. Stewart, T.B., Arnold, G. S. and Hall, D.F. "Absolute Rates of Vacuum Ultraviolet Photochemical Deposition of Organic Films", Journal of Physical Chemistry Vol. 93, March 1989. p. 2393.

121. Tada H.Y. and all, JPL Solar Cell Radiation Handbook, NASA-JPL Pub.82-69, 1983. pp. 3-61-3-152

122. Pence, W.R. and Grant, T.J., "Measurements of Thermal Control Coatings on NAVSTAR Global Positioning System Spacecraft", AAIA, New York, 1982 pp. 234-246.

123. Bowmer T.N., O'Donnell J.H. "Polymer", 1977, 18, 1032.

124. Махлис Ф.А. Радиационная физика и химия полимеров. М., Атомиз-дат, 1972.

125. Финкель Э.Э., Брагинский Р.П. В сб.: Радиационная химия полимеров. М„ "Наука", 1973.

126. Кузьминский А.С., Федосеева Т.С., Махлис Ф.А. В сб.: Радиационная химия полимеров. М. «Наука», 1973.

127. Alexander P., Charlesby A., Ross М. "Proc. Roy. Soc", 1954,223А, 392

128. Wall L.A., Brown D.W., "J. Res. Natl. Bur. Standards", 1956, 57, 131.

129. J.Guillin : «Evaluation of isothermal outgassing kinetics for some materials used in apace», Proceedings of the Third European Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment, ESA SP-232, The Netherlands, October 1985, pp. 35-38.

130. А.Адамсон, Физическая химия поверхностей, М. «Мир», 1979.

131. В.И. Костюк, P.X. Хасаншин, «К вопросу моделирования газовыделения материалами покрытий КА при термовакуумном воздействии», Космонавтика и Ракетостроение, 2002, вып. № 28, с. 155-163.

132. Khassanchine R.H., Grigorevskiy A.V., «Simulation of outgassing processes and deposition of volatile products under thermal vacuum exposure to space vehicle coatings». AIAA, Journal of Spacecraft and Rockets, LOG NO: All574,2003.

133. Хасаншин P.X. «Математическое моделирование конденсации продук тов газовыделения при термовакуумном воздействии на материалы покрытий космических аппаратов». Космонавтика и Ракетостроение, 2003, вып. № 32.

134. Morimoto К., Suzuki S., J.Appl. Polym. Sci., 16, 2947/1972.

135. Fox R.B., Isacs L.G., J. Polym. Sci., Al, 2, 2085, 1964.

136. Jacobs H.,Steel R., J.Appl. Polym. Sci., 3, 239, 1960.

137. Jacobs H.,Steel R., J.Appl. Polym. Sci., 3, 245,1960.

138. Stokes S., Fox R.B., J. Polym. Sci., 56, 507, 1962.

139. Калашников Н.П., Ремизович B.C., Рязанов М.И. Столкновение быстры заряженных частиц в твердых телах. М.: Атомиздат,1980.

140. Moliere G., Z. Naturforsch. 1947. Bd. 2а. Hf. 11/12. S.713-722.

141. Bethe H.A., Phys. Rev. 1953.Vol.89. № 6. P. 1256-1266.

142. Scott W.T. Rev. Mod. Phys. 1963. Vol.35, №2. P. 231-267.

143. Spencer L.V., Phys. Rev. 1962.Vol.128. № 5. P. 2230-2238.

144. TabatoT., Ito R., Nucl. Sci. Engin. 1978.Vol.65. № 3. P. 414-422.

145. Berger M.J. Monte-Carlo calculation of the penetration and diffusion of fas charget paticles., Methods in computational physics. N.-Y.-Lond.: Academi Press, 1963. Vol.1. P. 135-215.

146. Dogget J.A., Spencer L.V., Phys. Rev. 1956.Vol.103. № 6. P. 1597-1600.

147. Blunck O., Leisegang S.,Z. Phys. 1950.Bdl.128. H.4. s. 500-505.

148. Findly D.J.S., Nucl. Instr. Meth. 1980.Vol.174. № 3. P. 513-537.

149. Sternheimer R.M., Seltzer S.M., Berger M.J., Atom. Data Nucl.Data Tabl 1984. Vol. 30. № 2. P. 261-272.

150. Ермаков C.M., Михайлов Г.А. Курс статистического моделирования. Mo сква, Наука, 1976.

151. Соболь И.М., Численные методы Монте-Карло. Москва, 1973.

152. Аккерман А.Ф., Моделирование траекторий заряженных частиц в веще стве. Москва, Энергоатомиздат, 1991.

153. Brun R. et al. GEANT User's Guide, 1993.