МГТУ им. Н.Э. Баумана

Электромагнитное излучение солнца. Установки для имитации солнечного электромагнитного излучения.

Воздействие солнечного излучения на элементы конструкций космических аппаратов.

Выполнила: Хужина В. Т. Группа: АК2-51

Г. Реутов, 2012 г.

Введение

Благодаря сочетанию сверхвысоких давлений и температур в центральной области Солнца происходят ядерные реакции, при которых выделяется огромное количество энергии. Среднее количество вырабатываемой при ядерных реакциях энергии в расчете на грамм вещества в секунду составляет 1,92 эрга. Часть этой энергии идет на поддержание в центральной области сверхвысоких температур, необходимых для ядерных реакций, а остальная излучается Солнцем в межпланетное пространство. Мощность общего излучения Солнца 3,83•10²⁶ Вт, из которых на Землю попадает около 2•10¹⁷ Вт, т. е. приблизительно одна двухмиллиардная часть. С 1 см² поверхности Солнца в 1 сек. излучается энергии 6000 Вт, или 6•10¹⁰ эрг/см² сек. Излучаемый Солнцем поток энергии уносит ежегодно 1,4•10¹³ т вещества. И хотя эта величина, по нашим понятиям, огромна, по сравнению с массой светила она ничтожна: потребуется невероятно огромное время, чтобы Солнце израсходовало на излучение энергии все свое вещество и, таким образом, перестало бы существовать. Но до такого состояния Солнце далеко - приблизительно 10 млрд. лет.

А. Б. Северный дает такое интересное сопоставление огромной мощности излучаемой Солнцем энергии с эффектом ее использования: "Ежесекундно теряемой Солнцем лучистой энергии достаточно, чтобы в течение часа растопить и довести до кипения 2,5 биллиона км³ льда, т. е. растопить слой льда вокруг Земли толщиной более 1000 км.

Исходящее из центральной области Солнца излучение, по мере движения к внешним сферам, перестраивается из коротковолнового в длинноволновое. Если в центре присутствуют обычные Х-лучи, гамма-излучение и рентгеновское, то в средних слоях солнечного шара преобладают ультрафиолетовые лучи, а в излучающей поверхности Солнца (в фотосфере) они оказываются трансформированными уже в волны светового диапазона излучения. В соответствии с диапазоном длин излучаемых поверхностью Солнца (фотосферой) электромагнитных волн ее температура принимается равной 5785 К.

Солнце генерирует и отпускает в космическое пространство два основных потока энергии - электромагнитное излучение, или солнечную радиацию, и корпускулярное излучение, или солнечный ветер. Энергетические потоки обладают высокой мощностью в пределах близко расположенных от светила космических тел.

Трудно переоценить влияние солнечной радиации на процессы, протекающие в природной и техногенной средах, поэтому испытаниям на воздействие солнечного излучения подвергают изделия и материалы от самых простейших до космических аппаратов и их систем. Проведение испытаний в натурных условиях часто оказывается невозможно или слишком дорого по причинам сложности поддержания одних и тех же условий при проведении серии экспериментов; работы в режиме реального времени, что неоправданно удлиняет сроки испытаний. Эти трудности многократно возрастают при комбинированных воздействиях.

Для того чтобы ракеты-носители, а также космические аппараты удовлетворяли требованиям надежности, долговечности и работоспособности, на Земле они тщательно и всесторонне испытываются в условиях, максимально соответствующих имеющимся при запуске и в ходе орбитального полета. Специалистов, в частности, интересуют ответы на вопрос о том, как приборы перенесут вибрацию и перегрузки, какова степень герметичности аппаратов, как работает система единого питания, как ведут себя различные материалы в глубоком вакууме при экстремальных температурах и многое другое.

1. Внешние тепловые потоки, действующие на космический аппарат

1. Тепловые потоки

В космическом пространстве КА подвергается тепловому воздействию. Корпускулярное излучение - потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электронов и протонов) солнечного или галактического происхождения.

В околоземном пространстве корпускулярное излучение наблюдается в виде солнечного ветра, солнечного и галактического космического излучений и излучения радиационного пояса Земли.

Солнечный ветер - непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, содержит ~90% протонов, ~9% ядер гелия и 1% других более тяжелых ионов. В последнее время под солнечным ветром подразумевают измеряемый вблизи Земли поток частиц солнечного происхождения с энергией до 10^6 эВ.

Солнечное космическое излучение (СКИ) - интенсивные потоки частиц высокой (от 10^6 до 2*10^10 эВ) энергии, генерируемые Солнцем во время сильных вспышек. В состав СКИ входят в основном протоны, обнаружены также ядра с зарядом z>2 и электроны с >40 кэВ.

Сильные вспышки сравнительно редки и длятся не более суток, но в это время именно СКИ определяют радиационную обстановку в межпланетном пространстве.

Галактическое космическое излучение (ГКИ) - потоки частиц, возникающие вне пределов Солнечной системы и состоящие из ~94% протонов, ~5,5% ядер гелия и небольшого количества тяжелых ядер. Средняя энергия частиц ГКИ, наблюдаемых около Земли, составляет 10^10 эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 10^20 эВ и выше, т.е. во много раз превосходит максимальную энергию, полученную на Земле с помощью ускорителей заряженных частиц. Поток частиц движется движется с релятивистскими (близкими к скорости света) скоростями. Его интенсивность практически одинакова во всех направлениях, увеличивается по мере удаления от Солнца.

По своей проникающей способности галактические космические лучи превосходят все другие виды излучений, кроме нейтрино.

Приборы, расположенные на КА, существенно влияют на температурный баланс.

Важное место в наземной отработке космических аппаратов занимает изучение их теплового режима. Жесткие весовые и энергетические ограничения заставляют конструкторов создавать системы терморегулирования без существенных запасов хладо - или теплопроизводительности. В этих условиях даже незначительные ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, что тепловой режим космического аппарата не будет выдержан в заданных пределах и вызовет выход из строя элементов бортовой аппаратуры.

Радиотехническая, фотографическая, энергетическая другая научная аппаратура, устанавливаемая внутри снаружи станции, потребует поддержания вполне определенной температуры. Большинство элементов современного авиационного и космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50°С, но некоторые космические приборы нуждаются в еще более узком диапазоне температур.

Как показано на рис. 1, особенности теплового режима (даже в рамках допустимого диапазона) сильно влияют на надежность космического аппарата. Наименьшее число отказов наблюдается при нормальной, комнатной температуре. С ее понижением число отказов возрастает, становясь значительным при пониженных температурах и особенно большим при повышенных.

Рис. 1. Зависимость количества отказов приборов 11 космических аппаратов от окружающей температуры: 1 - комнатная температура; 2 - фаза перехода от максимально допустимой к минимально допустимой температуры приборов; 3 - минимально допустимая температура приборов; 4 - максимально допустимая температура приборов.

Солнце производит лучи в диапазоне от инфракрасного до жесткого ультрафиолетового излучения. Фоновое космическое излучение состоит из рентгеновских и гамма лучей, а также частиц высоких энергий.