Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение воздействует на спутник в процессе его движения по орбите в виде электромагнитного солнечного излучения и отраженного и собственного излучения Земли, данные о мощности которого будут приведены в п. 12.2.

Электромагнитное излучение характеризуется мощностью и спектральным распределением энергии, которые существенно различаются в зависимости от диапазона частот: радиодиапазона, оптического и корпускулярного [5; 8; 10].

В радиодиапазоне солнечное излучение создает помехи в радиолинии, для преодоления которых вводятся ограничения на ее работу при попадании Солнца в диаграмму антенны.

В оптической диапазоне солнечное излучение используется для получения электроэнергии и нагрева поверхности КА, а эффект светового давления учитывается при проектировании системы ориентации и стабилизации.

Мощность солнечного излучения в оптическом диапазоне в районе Земли вне ее атмосферы S_З зависит от движения Земли по орбите вследствие эллиптичности последней:

 

                                                (8.19)

 

где  – солнечная постоянная, Вт/м²;  – эксцентриситет земной орбиты, е_З = 0,017; а_З – большая полуось орбиты Земли; – текущее расстояние Земли от Солнца; – средняя аномалия Земли, , здесь  – текущее время от момента прохождения Землей точки перигелия (соответствует 3 января текущего года), сут;  – тропический год,  = 365,25 сут.

Солнечная постоянная  – это интегральный поток солнечного излучения, проходящий через единичную площадку, перпендикулярную направлению лучей, за пределами земной атмосферы и на среднем расстоянии Земли от Солнца, значение которого вследствие изменения солнечной активности равно (1 373 ± 14) Вт/м².

С учетом эллиптичности орбиты Земли и изменения значений солнечной постоянной значения мощности солнечного излучения, падающего на единичную площадку за годичный период, находятся в диапазоне 1 314…1 434 Вт/м². В проектных расчетах принимаются следующие значения мощности солнечного излучения в районе движения спутников Земли:

– при расчете мощности солнечных батарей S_З = 1 360 Вт/м²;

– при расчете теплового режима S_З = 1 440 Вт/м² (для режима перегрева), S_З = 1 360 Вт/м² (для режима переохлаждения).

При этом спектральное распределение энергии солнечного излучения в оптическом диапазоне принимается близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6 100 К.

Корпускулярный диапазон частот включает в себя коротковолновое излучение Солнца в ультрафиолетовом (l < 3 000 ) и рентгеновском (l < 100 ) диапазонах длин волн и является сильным поражающим фактором, воздействующим на спутник.

Уровень интенсивности коротковолнового излучения существенно зависит от фазы цикла солнечной активности и изменяются в течение ее 11-летнего периода. Существуют также 27-дневные вариации потока коротковолнового излучения, обусловленные перемещением активных областей по диску Солнца из-за его вращения. Амплитуда этих изменений возрастает с уменьшением длины волны излучения. Так, поток излучения
в линии водорода составляет 6 эрг/(см² × с) при максимуме активности
и 4,5 эрг/(см² × с) при минимуме.

Наиболее сильные вариации коротковолнового излучения происходят во время солнечных вспышек. Хотя доля энергии этого излучения
во вспышке в общем балансе излучений невелика (0,10...0,01), оно является существенным поражающим фактором, так как поток энергии излучения при максимуме вспышки может достигать 4 эрг/(см² × с).

В космических условиях воздействие электромагнитного излучения ограничивается поверхностным слоем материала и сказывается в первую очередь на оптических характеристиках поверхности.

Электромагнитное излучение рентгеновского диапазона, содержащее фотоны больших энергий, может приводить к радиационным поврежде-ниям материалов в виде ионизации и смещения атомов. Однако электромагнитное излучение оптического диапазона уже не вызывает каких-либо повреждений в материале, даже если оно и возбуждает атомы.

Металлы и сплавы устойчивы к воздействию электромагнитного излучения.

Неорганические материалы терморегулирующих покрытий под воздействием солнечного излучения изменяют свои оптические характерис-тики, что приводит к образованию центров потемнения, вызывающих общее потемнение материала, которое уменьшает прозрачность многих видов стекла и увеличивает их поглощательную способность. Особенно чувствительна к воздействию ультрафиолетового излучения двуокись титана, используемая в качестве белого пигмента для высококачественных красителей. Поэтому в оптических приборах рекомендуется использовать стойкое к радиации нетемнеющее стекло, а там, где возможно, – стекло на основе чистой плавленой двуокиси кремния. Для терморегулирующих поверхностей с малым коэффициентом поглощения следует выбирать светлые красители, устойчивые к образованию центров потемнения, в то время как для поверхностей с большим коэффициентом поглощения лучше использовать черные красители, которые практически не подвержены воздействию электромагнитного излучения.

Органические материалы под воздействием электромагнитного излучения изменяют свою отражательную и поглощательную способности: прозрачность, поверхностную электропроводность, окраску и механические свойства (прочность, упругость, гибкость). Поэтому для уменьшения воздействия электромагнитного излучения на органические материалы, применяемые в оптических целях (в линзах, на радиационных поверхностях и т. п.) используются стабилизаторы, которые в 3–10 раз увеличивают время появления первых признаков повреждения. При эксплуатации полимеров в неоптических целях их защищают непрозрачными покрытиями (например, наносят слой алюминия). Перспективным направлением повышения стойкости полимеров к солнечному излучению является применение различных органических и неорганических поглотителей ультрафиолетовой радиации, например окиси цинка. Устойчивыми к воздействию ультрафиолетового излучения являются такие органометаллические соединения, как ферроцены (производные дициклопентадиена железа), которые могут использоваться
в качестве сырья для производства полимеров или стабилизирующих добавок к органическим материалам.

Корпускулярное излучение – это потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электронов и протонов). В околоземном пространстве источниками корпускулярных излучений являются солнечный ветер, солнечное и галактическое космическое излучение, радиационные пояса Земли [1; 7; 8].

Солнечный ветер – непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, которое содержит до 90 % протонов и до 9 % ядер гелия, остальное приходится на более тяжелые ионы. В настоящее время под солнечным ветром понимается измеряемый вблизи Земли поток заряженных частиц солнечного происхождения с энергией до 10⁶ эВ.

Солнечный ветер формирует структуру межпланетного магнитного поля, силовые линии которого вытянуты вдоль линий тока солнечного ветра в виде спирали Архимеда, закручиваемой вращением Солнца. Это магнитное поле влияет на распределение интенсивности галактических космических лучей в Солнечной системе, препятствуя их проникновению в ее внутренние области.

Солнечный ветер определяет характер геомагнитных возмущений и связанных с ними других геофизических процессов и является одним из источников пополнения заряженными частицами радиационного пояса Земли.

Солнечное космическое излучение – интенсивные потоки частиц высокой (от 10⁶ до 2 × 10¹⁰ эВ) энергии, генерируемые Солнцем во время сильных вспышек. Это излучение в основном состоит из протонов, обнаружены также ядра с зарядом z ³ 2 и электроны с энергией ³ 40 кэВ.

Сильные вспышки на Солнце сравнительно редки и длятся не более суток, но в это время именно солнечное космическое излучение определяет радиационную обстановку в межпланетном и околоземном пространстве.

Галактическое космическое излучение – потоки частиц, возникающие вне пределов Солнечной системы и содержащие до 94 % протонов, до 5,5 % ядер гелия и небольшое количество тяжелых ядер.

Средняя энергия частиц галактического космического излучения, наблюдаемых около Земли, составляет 10¹⁰ эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 10²⁰ эВ и выше, т. е. она во много раз превосходит максимальную энергию, которая была получена на Земле с помощью ускорителей заряженных частиц. Поток частиц движется с релятивистскими, т. е. близкими к скорости света, скоростями. Его интенсивность практически одинакова во всех направлениях и увеличивается по мере удаления от Солнца, что связано с экранированием межпланетного магнитного поля. Поэтому колебания интенсивности галактического космического излучения находятся в противофазе с изменением солнечной активности на 11-летнем цикле. По своей проникающей способности галактические космические лучи превосходят все другие виды излучений, кроме нейтрино.

Радиационные пояса Земли формируются ее магнитным полем (рис. 8.2). Форма геомагнитного поля – тороидальная с провалами на северном и южном магнитных полюсах – будет подробно описана в п. 10.4. Под воздействием солнечного ветра внешняя магнитосфера деформируется и принимает форму параболоида вращения, ось которого направлена на Солнце. В спокойных условиях дневная граница внешней магнитосферы располагается на расстоянии от центра Земли до 70 000 км, а ночная граница удалена до 7 000 000 км. Заряженные частицы космических лучей (электроны, протоны, ионы) под действием магнитного поля совершают колебательные движения по широте по траектории, представляющей собой спираль с переменным шагом, как бы навиваются на силовую линию и дрейфуют по долготе, при этом электроны смещаются на восток, а протоны и другие положительные частицы – на запад, образуя радиационную зону (пояс) в виде торообразного кольца, охватывающего Землю в плоскости геомагнитного экватора на высоте от нескольких сотен до десятков тысяч километров.

Электроны и протоны различных энергий распределяются в радиационном поясе Земли дифференцированно. Электроны и протоны сравнительно низких энергий почти равномерно заполняют магнитосферу Земли. Протоны высоких энергий (³ 30 МэВ) с максимальной плотностью потока порядка 2 × 10⁴ протонов × с^–1 × см^–2 сконцентрированы в зоне, ограниченной высотами 6 000…12 000 км, т. е. в области условно выделяемого внутреннего пояса радиации, который располагается ближе к поверхности Земли, а электроны высоких энергий (³ 150 кэВ) с максимальной плотностью потока около 1 × 10⁷ электронов × с^–1 × см^–2 – в зоне, ограниченной высотами 24 000…30 000 км, т. е. в области условно выделяемого внешнего радиационного пояса.

 

 

Рис. 8.2. Структура радиационных поясов:

1 – внутренний радиационный пояс (³ 30 МэВ); 2 – внешний

радиационный пояс (³ 150 кэВ)); 3 – зона перехода

к межпланетному пространству (³ 40 МэВ); 4 – пояс

протонов малых энергий (³ 100 кэВ)

 

Размеры области внутреннего пояса радиации практически не изменяются от уровня солнечной и магнитной активности, тогда как области внешнего пояса радиации и переходной зоны к межпланетному пространству в значительной степени зависят от солнечной активности и времени суток.

Воздействие корпускулярного излучения вызывает объемную ионизацию вещества, что приводит к ухудшению характеристик радиоэлектронной аппаратуры, снижает мощность солнечных батарей и изменяет оптические свойства поверхностей КА.

Основной способ обеспечения стойкости КА к воздействию корпускулярного излучения (радиационной стойкости) заключается в выборе радиационно стойкой электрорадиоэлементной базы компоновки, компоновке менее радиационно стойких приборов внутри приборного отсека и организации защитных экранов. Расчет поглощенных доз от корпускулярного излучения проводится с учетом используемой орбиты, длительности функционирования КА и параметров защитного экрана [2; 5; 7; 9; 10].

Характеристики защитного экрана зависят от места установки прибора на КА:

- для прибора, размещенного вне приборного отсека на некотором удалении от него, учитывается защита только стенок корпуса прибора;

- для прибора, расположенного на приборном отсеке, дополнительно учитывается односторонняя защита корпуса приборного отсека;

- для прибора, находящегося внутри приборного отсека, принимается всесторонняя (сферическая) защита корпуса.

На околоземных орбитах величина ежегодной дозы радиации, получаемой электрорадиоэлементами, экранированными корпусом прибора (0,5 г/см²), в зависимости от типа орбиты составляет 10⁴…10⁵ рад/год. Доза радиации характеризует отношение энергии падающего потока
к массе вещества и измеряется в радах (1 рад = 10^–2 Дж/кг).

Стойкость аппаратуры к воздействию суммарной поглощенной дозы радиации подтверждается расчетом при коэффициенте запаса, равном 1,5…3,0, или наземными испытаниями при коэффициенте запаса менее установ-ленного.

 

В заимодействие заряженных частиц и солнечного излучения со спутником приводит к накоплению на его поверхности электрического заряда, т. е. к электризации поверхности КА. Знак и величина этого заряда зависят от соотношения интенсивностей процессов притока и стока электрических зарядов, а также от электрофизических характеристик материалов, применяемых в конструкции КА.

Физическая природа электризации поверхности заключается в следующем. Ток на поверхности зависит от концентрации частиц, их заряда и скорости. И даже в случае квазинейтральной плазмы, у которой концентрация электронов и ионов примерно одинакова вследствие того, что скорость электронов намного больше скорости ионов, всегда создаются условия для электризации поверхности. Этим объясняется наличие на поверхности КА преимущественно отрицательного потенциала.

Сам по себе факт зарядки внешней поверхности КА до высоких отрицательных потенциалов не влияет на работу бортовых систем. Воздействие на работоспособность бортовой радиоэлектронной аппаратуры оказывает лишь поверхностная и объемная неоднородность распределения электрического заряда, способствующая появлению электростатических разрядов. При этом создаются электромагнитные помехи, индуцируемые в различных частях КА, которые приводят к срабатыванию переключающих схем и другим нежелательным последствиям и даже к катастрофическим отказам в работе бортовой радиоэлектронной аппаратуры и систем. Кроме того, под воздействием электрических разрядов происходит разрушение защитных диэлектрических материалов и загрязнение внешних поверхнос-тей, что также снижает надежность функционирования КА.

В процессе летных испытаний КА при изучении влияния на него заряженных частиц было неоднократно зафиксировано отрицательное напряжение между конструкцией КА и окружающей плазмой величиной до нескольких киловольт, а во время геомагнитных бурь наблюдались разряды частотой до 10 Гц и энергией в разрядном импульсе до 0,2 Дж.

Летные испытания подтверждают необходимость реализации на КА мероприятий по защите от электризации поверхностей. Так, использование токопроводящих покрытий, наносимых на все внешние поверхности КА, позволяет уменьшить разность потенциалов между отдельными фрагментами внешней поверхности КА (солнечными батареями, антеннами) и, как следствие, исключить появление разрядов. Соединение всех элементов конструкции в единую электрическую цепь за счет заземления и экранирование бортовой кабельной сети также снижает вероятность появления разрядов.

Контроль качества реализации мероприятий по защите КА от электризации подтверждается наземными испытаниями материалов и аппаратуры путем воздействия на них электростатических разрядов.

 

Метеорное вещество

 

Метеорное вещество в околоземном пространстве по динамическим характеристикам подразделяется на следующие метеорные тела [5; 7; 8; 10]:

- спорадические;

- принадлежащие к метеорным потокам;

- принадлежащие пылевой оболочке Земли.

Скорости метеорных тел относительно Земли без учета ее притяжения не превышают 72 км/с, при этом в нормативных документах для спорадических метеорных тел скорость принимается равной 20 км/с, для частиц пылевой оболочки Земли – 8 км/с.

Плотность потока спорадических метеорных тел массой  в зоне до высот 10⁶ км от поверхности Земли определяется числом тел, приходящих со всей небесной сферы без учета экранирования Земли во всем интервале скоростей и пересекающих за 1 с сферическую поверхность, диаметральное сечение которой равно 1 м², в то время как для метеорных тел массой  в зоне от 200 до 1 000 км от поверхности Земли учитывается экранирование Земли, т. е. плотность потока рассчитывается для полусферы.

Плотность потока метеорных тел, принадлежащих метеорному потоку, задается числом метеорных тел более m, пересекающих за 1 с площадку в 1 м², нормальную к вектору скорости.

Усредненная за год плотность потока метеорных тел N_m массой более  вычисляется по формуле

 

                                                                               (8.20)

 

где  – плотность потока метеорных тел массой больше m₀,частиц × м^–2 × с^–1 ´ ´ (4p ср)^–1; s – показатель степени распределения метеорных тел по массе.

Для спорадических метеорных тел массой  на расстоянии
от Земли до 10⁶ км s = 2,2, а плотность потока  определяется по формуле

 

                                      lg = –13,4 – 1,2lg m₀.                                        (8.21)

 

Для спорадических метеорных тел массой  и метеорных тел пылевой оболочки Земли на расстоянии до 1 000 км s = 2,2, а плотность потока N_m находится по формуле

 

                                     lg = –11,8 – 0,8lg                                         (8.22)

 

Для метеорных тел, принадлежащих метеорному потоку, s = 1,8 и  Значение плотности потока  для семи главных метеорных потоков в максимуме их активности представлены в табл. 8.2. В этой же таблице приведены даты начала и конца пересечения околоземного метеорного потока t_н и t_к, даты максимальной активности t_м и внеатмосферная скорость V_a относительно Земли.

 

Таблица 8.2