FEATURES OF EXPERIMENTAL DEFINITION OF COMPOSITE MATERIALS DURABILITY AGAINST EROSIVE IMPACT OF STATIONARY PLASMA THRUSTERS

Full Text

В настоящее время композиционные материалы находят широкое применение при изготовлении образцов ракетно-космической техники. В частности, многие конструктивные элементы автоматических космических аппаратов (КА), включая элементы крупногабаритных трансформируемых систем, изготавливаются с использованием углепластиков. В свою очередь, повышение требований к целевым характеристикам и энерговооруженности КА при наличии ограничений на массово-габаритные характеристики КА приводит к существенному «уплотнению» конструктивно-компоновочных схем современных КА, что обуславливает попадание ряда конструктивных элементов крупногабаритных трансформируемых систем под воздействие плазменных струй СПД, приводящее к распылению материалов их поверхностей. В связи с этим возникает необходимость повышения точности оценок эрозионно-загрязняющего воздействия плазменных струй СПД на КА посредством учета «тонких» эффектов, характеризующих процессы распыления материалов, таких как влияние флю-енса, индикатрисы распыления, анизотропии свойств материалов и пр. Кроме того, при экспериментальном определении параметров распыления композиционных материалов и, в частности углепластиков, для повышения точности получаемых результатов необ- ходимо учитывать ряд специфических особенностей этих материалов. Одним из путей повышения точности экспериментальных данных является хорошо обоснованный выбор схемы и параметров эксперимента, его тщательная методическая разработка и соблюдение многочисленных ограничений. Основная сложность измерения характеристик распыления композиционных материалов при низких энергиях ионов состоит в большой продолжительности эксперимента, необходимой для получения приемлемой точности измерения. В связи с этим для проведения испытаний преимуществом обладают методы, позволяющие одновременно испытывать большое количество образцов. Реализовать такую схему измерений можно с помощью стационарных плазменных двигателей, имеющих большую расходимость плазменного потока (до 40 оС), и позволяющих разместить в потоке до 10-15 образцов материалов. Исходя из этих соображений для измерения коэффициентов распыления композиционных материалов была выбрана схема эксперимента (рис. 1). Величина коэффициента распыления измеряется весовым методом при известных параметрах плазменного потока и времени воздействия плазмы на образец. 91 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 1. Схема эксперимента по определению характеристик распыления конструкционных материалов КА Для обеспечения требуемой точности и повторяемости результатов измерений необходимо выполнять ограничения на режимы проведения эксперимента. Потери массы образов (за счет распыления) должны быть не менее (20...30) х5м , где 5М - разрешающая способность используемых микровесов. Для аналитических рычажных весов 5М = 0,1 мг, следовательно, величина массы распыленного вещества должна быть не менее ДМрасп > 0,1х (20...30) = 2...3 мг. Следует учитывать, что неметаллические и композиционные материалы обладают весьма существенной собственной потерей массы, обусловленной их гигроскопичностью и газовыделением материалов в вакууме. Стандартные параметры общих потерь массы (ОПМ) для современных материалов космического применения обычно не превышают 0,1 %. Потери массы за счет газовыделения не должны превышать 3-5 % массы распыленного вещества. Для указанной выше величины ДМрасп = 2-3 мг, это соответствует 0,1-0,2 мг. При этом масса образца должна быть не больше 0,1-0,2 г. Если масса образца превышает указанные значения, следует либо увеличивать ДМрасп, либо обезга- живать образцы. Расстояние от двигателя не должно быть больше 1/2 длины пробега ионов в камере (X и 1 м при давлении 5 - 10-4 торр.), иначе в потоке возрастет доля упругорассеяных ионов. Приближение образцов к двигателю также ограничено неравномерностью потока. Исходя из этого расстояние от двигателя до образцов было выбрано равным 0,5 м. Температура образца не должна превышать рабочей температуры материала (75-120 °С), в противном случае в нем могут начаться необратимые деструктивные явления. Образцы в камере должны располагаться так, чтобы минимизировать потоки осаждения на них продуктов распыления стенок вакуумной камеры. Размеры образца ограничены неравномерностью плотности тока по длине образца, которая не должна превышать 3-5 % от среднего значения (рис. 2). Режим работы источника плазмы (плотность ионного тока) выбирают таким образом, чтобы обеспечить температурный режим образцов. Время эксперимента тэксп выбирают в соответствии с требуемой точностью. Желательно, чтобы оно не превышало 40-50 ч, в противном случае стоимость работ резко возрастает. При использовании весового метода измерений большое влияние на точность измерений могут оказывать потери массы, обусловленные собственным массовыделением материалов или их гигроскопичностью. В связи с этим перед проведением испытаний проводилось обезгаживание и определение «сухой» массы образцов. Для этого образцы помещались в вакуумную камеру и нагревались до температуры 70 °С. Время выдержки в вакууме - 3 ч. После этого вакуумная камера заполнялась сухим азотом. Образцы извлекались из камеры и взвешивались на аналитических весах. Задержка между заполнением камеры и взвешиванием не превышала 1 ч. После взвешивания образцы снова помещались в вакуумную камеру, и проводился еще один цикл обезгаживания с целью получения информации о динамике сброса массы и повышения достоверности оценок сухой «массы». Результаты измерений потери массы образцов углепластика приведены на рис. 3. В течение 6 ч образцы потеряли более 90 % массы. Для получения значений «сухой» массы образца использовалась аппроксимация экспериментальных данных следующей экспоненциальной зависимости: Дт = Дтм exp где Дтх - полная потеря массы (влаги), т - постоянная времени обезгаживания. 92 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Рис. 2. Угловая зависимость плотности тока в струе СПД-50 и максимального размера образца на расстоянии 0,5 м от среза двигателя Рис. 3. Зависимость потери массы образцов от времени: точки 1-7 эксперимент, пунктир - аппроксимация (для образца 5) Значения параметров в формуле (1) определялись методом наименьших квадратов по экспериментальным данным. Величина «сухой» массы образца вычислялась по формуле м-р = м-1 —m, где м-0) - «сухая» масса образца, М(р - равновесная масса образца (при нахождении на влажном воздухе). По результатам этих измерений содержание влаги в образцах углепластика составило около 0,17 %. Постоянная времени обезгаживания (при температуре 70 °С) x = 1,2 ч. После обезгаживания образцы были помещены на открытом воздухе для получения информации о набо ре массы. Образцы взвешивались через каждые 3-4 ч в течение последующих четырех суток. Кривая набора массы образцов углепластика (при влажности воздуха 39-51 %) приведена на рис. 4. Процесс набора влаги достаточно длительный (постоянная времени этого процесса x = 25 ч). Таким образом, для исключения влияния влаги в образцах углепластика перед проведением испытаний необходимо их обезгаживать. При обезгаживании должно быть получены, по крайней мере, две точки, позволяющие иметь информацию о динамике процесса обезгаживания, необходимую для получения достоверных оценок «сухой» массы образцов. Для снижения влияния влаги при извлечении образцов из вакуумной камеры ее следует заполнять сухим азотом. Взвешивать образцы после их извлечения из вакуум 93 Авиационная и ракетно-космическая техника ной камеры необходимо не позже чем через 1—2 ч (при влажности до 50 %). В этом случае изменение массы составит не более 0,1-0,2 мг (в пределах разрешающей способности аналитических весов). При влажности воздуха более 50 % это время следует минимизировать. По данной методике были испытаны образцы углепластика на основе углеродного жгута, стеклонити и органического связующего. На внешней поверхности углепластика находится защитный слой, толщиной около 20 мкм, образованный тонкими стеклянными нитями, уложенными в одном направлении. Эксперимент проводился на стенде ПП-2 МАИ [1], оснащенном современными безмасляными средствами откачки, обеспечивающими вакуум на уровне 10-5 торр. при работающем источнике плазмы. В качестве источника плазмы применялся стационарный плазменный двигатель типа СПД-50 (ток разряда 1,2—1,8 А, напряжение разряда 250—300 В). Образцы углепластика размещались в струе двигателя на расстоянии 0,5 м от среза, под углом 20° к оси струи. Углы падения ионов на поверхность образцов составляли 0, 45 и 60°, плотность ионного тока на образцах — 0,185 мА/см2, средняя энергия ионов — 200 эВ. Облучение образцов производилось в три этапа, продолжительностью 32, 16 и 12 ч (рис. 5). Существенного изменения скорости распыления по времени облучения не происходит. По-видимому, это связано с тем, что при реализованном в эксперименте флюенсе, глубина распыления составила около 10—15 мкм, что соответствует примерно 50 % эрозии защитного слоя. Рис. 4. Зависимость увеличения массы образцов от времени 0 ГО ю н Г У if ? ш ю о о > ш .а с и го .■к го и и го 2 у у У у у У Э 1 о 2 0 3 Время о 0 4 блучения ч ш 5 0 6 о 7 Рис. 5. Зависимость массы распыленного вещества от времени облучения при нормальном падении ионов 94 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева При дальнейшем воздействии потока плазмы можно прогнозировать полное распыление защитного слоя и переход к распылению углепластика. При этом, естественно, произойдет изменение скорости распыления в соответствии с характеристиками распыления углепластика. Коэффициент распыления защитного слоя при средней энергии ионов 200 эВ составил 0,24 атом/ион при среднем атомном весе распыленных частиц Mw = 20,2 (стекло). Массовый коэффициент распыления составил 0,05 мг/К, а объемный (при плотности материала 2,2 г/см3) - 0,023 мм3/К. Для сравнения отметим, что по данным [2] коэффициент распыления стекла (при энергии 200 эВ) составляет около 0,2-0,3, что соответствует измеренным значениям. После распыления защитного слоя скорость распыления, по-видимому, должна уменьшиться в несколько раз, поскольку углерод более стоек к распылению, чем стекло. Так коэффициент распыления графита при энергии 200 эВ составляет около 0,04 атом/ион [3; 4]. У углепластика за счет волокнистой структуры и наличия связующего коэффициент распыления будет несколько больше (рис. 6). На зависимость заметное влияние оказывает ориентация образца относительно потока ионов. Так, при ориентации вдоль волокон максимальный коэффициент распыления примерно в 1,4 раза больше, чем при ориентации поперек волокон. Причина этого эффекта, по-видимому, связана с частичным затенением материала при поперечной ориентации образца. Эту гипотезу подтверждают результаты исследования на электронном микроскопе (рис. 7). На этих снимках отчетливо видно, что на образцах с поперечной ориентацией образуются «кристаллы», находящиеся в тени нитей стекловолокна защитного слоя. На образцах, ориентированных вдоль потока, таких «кристаллов» не образуется за исключением тех мест, где нити ориентированы под углом к потоку. По мере распыления образца наблюдается постепенное снижение максимума распыления при угле падения 60°. Возможно, что этот эффект связан с частичным оголением углеродных волокон, находящихся под стеклянными нитями. Таким образом, показано, что для получения данных по распылению композиционных материалов необходимо строго выполнять множество ограничений на параметры эксперимента и проводить тщательную методическую подготовку. Угол падения ионов, град. Рис. 6. Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионов а б Рис. 7. Поверхность образцов при угле падения ионов 45° при продольной (а) и поперечной (б) ориентации волокон относительно потока ионов 95 Авиационная и ракетно-космическая техника Для исключения влияния влаги, перед проведением испытаний необходимо производить обезгажива-ние образцов. При обезгаживании должно быть получено, по крайней мере, две точки, позволяющие получить информацию о динамике процесса обезгажива-ния и оценить величину «сухой» массы образцов. Влияния флюенса на скорость распыления защитного слоя углепластика не обнаружено. При полном распылении защитного слоя возможно уменьшение коэффициента распыления за счет перехода к распылению углеволоконной основы. Обнаружено значительное (около 40 %) влияние ориентации образца относительно потока ионов на величину коэффициента распыления при наклонном падении ионов. Показано, что этот эффект связан с частичным затенением поверхности стеклянными нитями, образующими защитный слой углепластика.

About the authors

A. B. Nadiradze

Email: nadiradze@mail.ru

R. R. Rachmatullin

Email: nadiradze@mail.ru

S. G. Kochura

Email: kochura@iss-reshetnev.ru

I. A. Maksimov

Email: maximov@iss-reshetnev.ru

V. А. Smirnov

Email: smirnov@iss-reshetnev.ru

References

Supplementary files