Устройство для получения сверхглубокого вакуума в космосе

 

Изобретение относится к космической технике, а именно к орбитальным средствам для получения сверхглубокого вакуума (до 10^-14 мм рт.ст.) и использования его для производства сверхчистых тонкопленочных материалов (сверхрешеток) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Устройство содержит защитный экран, установленный на космическом аппарате (КА) и ориентированный перпендикулярно набегающему потоку. Кроме того, устройство снабжено дополнительным защитным кожухом, который может быть установлен как за центральной частью защитного экрана, так и за донным срезом КА, ориентированным перпендикулярно набегающему потоку и выполняющим функции экрана. За плоскостью экрана образуется область аэродинамического следа. Дополнительный защитный кожух выполнен в виде усеченного конуса, большее открытое основание которого направлено в сторону от защитного экрана. На внешних сторонах боковых стенок и меньшего закрытого основания конуса установлены электронагреватели. Защитный кожух, выполненный из материала с низким собственным газовыделением, обеспечивает защиту от собственных газовыделений защитного экрана и потоков собственной внешней атмосферы КА. 2 ил.

Изобретение относится к космической технике, а именно к орбитальным средствам для получения сверхглубокого вакуума и использования его для производства многослойных тонкопленочных материалов (сверхрешеток) методом молекулярно-лучевой эпитаксии на низкоорбитальных космических аппаратах.

Известно устройство для получения сверхглубокого вакуума, включающее защитный молекулярный экран, соединенный длинным тросом с корпусом космического аппарата [1]. Защитный экран имеет диаметр около трех метров и его плоскость ориентирована перпендикулярно направлению полета.

Сверхглубокий вакуум (до 10^-14 мм рт.ст.) в этом случае образуется за счет оттеснения молекул, атомов и ионов набегающего потока, имеющих среднюю тепловую скорость (около 1 км/сек), значительно меньшую первой космической (8 км/сек) и, следовательно, недостаточную для заполнения области аэродинамического следа за экраном. При этом, учитывая распределение скоростей, наибольшую вероятность проникновения за экран имеют только атомы, молекулы и ионы с сверхмалым атомным весом - водород и гелий.

Основной недостаток данного устройства заключается в том, что вблизи орбитальных комплексов и пилотируемых аппаратов существует дополнительный источник загрязнения вакуума - собственная внешняя атмосфера (СВА) космического аппарата, которая состоит из потоков газов и частиц, выделяемых двигателями космического аппарата, испаряемых с поверхности космического аппарата и элементов его конструкции. Эти потоки движутся в той же системе координат, что и космический комплекс, имеют составляющую, равную орбитальной скорости, и, следовательно, могут проникать в область аэродинамического следа за защитным экраном, что значительно ухудшает вакуум. Кроме того, поверхность защитного экрана также может служить источником дополнительных загрязнений, поскольку из-за ее большой площади практически сложно обеспечить достаточно полное удаление адсорбированных остаточных газов и загрязнений.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является устройство для получения сверхглубокого вакуума в космосе, включающее защитный экран в виде плоского металлического диска или усеченной части полусферы, закрепленного на телескопической стреле, смонтированной на космическом аппарате [2].

Данное устройство имеет следующие принципиальные и практические недостатки: - в случае сложной конфигурации космического аппарата (комплекса) полностью исключить влияние СВА на область аэродинамического следа за защитным экраном в течение длительного времени практически невозможно; - материал экрана должен иметь крайне низкий уровень собственных газовыделений, при этом единственно доступным способом удаления остаточных газов с внутренней поверхности ЗЭ в условиях космического полета из-за его больших размеров может быть только нагрев прямым солнечным излучением ориентацией защитного экрана на Солнце. Температуры, которые при этом могут быть достигнуты, недостаточны для полного обезгаживания поверхности; - для защиты от СВА в периоды изменений ориентации КА, выполнения периодической ориентации на Солнце защитный экран должен быть снабжен поворотной платформой с автономной системой ориентации; - космический аппарат, сконструированный с учетом вышеперечисленных требований, невозможно вывести на орбиту и возвратить на Землю без использования космического аппарата типа Space Shuttle из-за больших размеров громоздкой и сложной конструкции; - использование телескопической стрелы существенно усложняет развертывание и эксплуатацию защитного экрана, увеличивает массу, выводимую на орбиту, и расходы, связанные с обеспечением его функционирования.

Технический результат использования предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в следующем: - возможности значительного снижения требований по собственным газовыделениям к материалам, используемым в конструкции защитного экрана; - возможности получения сверхглубокого вакуума вблизи поверхности космического аппарата, что значительно упрощает обслуживание полезной нагрузки, использующей сверхглубокий вакуум; - возможности значительного варьирования размерами и геометрическими характеристиками защитного кожуха, что позволяет существенно расширить варианты выбора мест его размещения вблизи поверхности космического аппарата; - возможности проведения термического обезгаживания поверхности защитного кожуха системой электронагревателей, размещенной на его внешней поверхности;
- в отсутствии необходимости в специальной системе ориентации (может использоваться система ориентации космического аппарата);
- в использовании защитного кожуха в качестве платформы для установки полезной нагрузки (технологического оборудования), использующей сверхглубокий вакуум.

Сущность изобретения заключается в том, что это устройство для получения сверхвысокого вакуума, включающее в себя защитный экран, который установлен на космическом аппарате и ориентирован перпендикулярно набегающему потоку, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным защитным кожухом, который установлен за центральной частью защитного экрана и выполнен в виде усеченного конуса, большее открытое основание которого направлено в сторону от защитного экрана, а на внешних сторонах боковых стенок и меньшего закрытого основания конуса установлены электронагреватели, причем дополнительный защитный кожух выполнен из материала с низким собственным газовыделением.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема устройства для получения сверхглубокого вакуума с использованием защитного экрана.

На фиг.2 - вариант закрепления защитного кожуха на донной части КА.

Устройство для получения сверхглубокого вакуума в космосе содержит защитный экран 1 диаметром около 3-х метров, установленный на космическом аппарате (КА) 2, за центральной частью защитного экрана 1 или за донным срезом 3 любого элемента КА 2 (фиг.2), имеющего малое удлинение и размер около 3-х метров, установлен дополнительный защитный кожух 4. Защитный кожух 4 выполнен в виде усеченного конуса с параллельными основаниями 5 и 6. Большее основание 6 открыто и направлено в сторону от защитного экрана 1 или донного среза 3 КА 2 и может иметь размер значительно меньше, чем размер защитного экрана 1 или используемого элемента конструкции КА 2. Боковые стенки 7, а также меньшее основание 5 выполнены из материала с низким уровнем собственного газовыделения (например, нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т). На наружных боковых стенках 7 и меньшем основании 5 расположены электронагреватели 8.

Кожух 4 может выполнять функции платформы для размещения полезной нагрузки 9, использующей сверхглубокий вакуум.

Устройство работает следующим образом. Во время орбитального полета защитный экран 1 или КА 2 ориентируют относительно набегающего потока таким образом, чтобы защитный экран 1 или плоский донный срез 3 КА 2, выполняющий функцию экрана, располагались перпендикулярно набегающему потоку. За плоскостью возникает область аэродинамического следа. Дополнительный защитный кожух 4 размещен в этой области и ориентирован широким открытым основанием 6 в сторону от поверхности защитного экрана 1. В этом случае обеспечивается защита от собственных газовыделений защитного экрана 1 и потоков СВА защитным кожухом 4, а от набегающего потока - защитным экраном 1 или донным срезом 3 КА 2.

Таким образом, защитным кожухом обеспечивается защита от собственных газовыделений защитного экрана и потоков СВА и защита от набегающего потока - защитным экраном или донным срезом КА. Тем самым, после проведения термического обезгаживания защитного кожуха с помощью электронагревателей 8 обеспечивается получение сверхглубокого вакуума (до 10^-14 мм рт.ст.).

Источники информации
1. B.C.Авдуевский, Л.В.Лесков. Работает невесомость. М., 1988, стр.23-24.

2. US Patent 4723734. Date of Patent Feb. 9, 1988.

Формула изобретения

Устройство для получения сверхглубокого вакуума, включающее в себя защитный экран, установленный на космическом аппарате и ориентированный перпендикулярно набегающему потоку, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным защитным кожухом, установленным за центральной частью защитного экрана и выполненным в виде усеченного конуса, большее открытое основание которого направлено в сторону от защитного экрана, а на внешних сторонах боковых стенок и меньшего закрытого основания конуса установлены электронагреватели, причем дополнительный защитный кожух выполнен из материала с низким собственным газовыделением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2