В авиации и в космической технике первостепенное значение имеет всесторонняя экспериментальная проверка деталей, аппаратов и приборов. При этом важное значение приобретают «высотные» испытания, когда в наземных установках искусственно создают высотные атмосферные условия

Для воспроизводства условий высоких слоев атмосферы и космического пространства, отличающихся от наземных температурой, давлением, составом остаточных газов, применяют высотные испытательные установки. По степени создаваемого вакуума их можно разделить на установки, воспроизводящие условия в высоких слоях атмосферы, в которых поддерживается относительно невысокий вакуум, и имитаторы космического пространства, где необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум.

Таблица 41

 Как видно из Hкм табл. 41, на расстоянии 500 км от поверхности земли давление составляет ~7*10^-9 мм рт. ст., ас увеличением этого расстояния давление еще более снижается.

Высотные установки первой группы представляют собой замкнутые охлаждаемые камеры, конфигурация которых зависит от характера испытуемых объектов. Такие камеры строят размером от нескольких литров до нескольких тысяч кубических метров. Высотные условия, поддерживаемые в таких камерах, нормированы шкалой международной стандартной атмосферы.

Как видно из табл. 41, температура в стратосфере на высоте от 11 до 25 км неизменна (—56,5° С). В более высоких слоях атмосферы имеются зоны высоких и низких температур (рис. 228). Подсоединенные к термобарокамере вакуумные насосы должны в первую очередь поддерживать необходимое рабочее давление, откачивая воздух, проникающий сквозь неплотности или выделяемый в рабочем процессе.

Но кроме того, установленная система откачки должна обеспечивать заданную «скороподъемность», т. е. давление должно непрерывно изменяться таким образом, чтобы создать подобие подъема или спуска высотного устройства. Чтобы создать «скороподъемность», соответствующую скорости взлета действительного самолета, требуется установить вакуумное оборудование с большими скоростями откачки для быстрого создания необходимого вакуума. 

В специальных высотных испытательных установках для авиационных двигателей вакуум создается на выходе из двигателя. Принципиальная схема высотной установки приведена на рис. 229.

На графике рис. 230 показано, как меняется величина откачиваемого объема воздуха при воспроизводстве подъема на высоту 20 км от поверхности Земли. Испытательная камера объемом от 250 до 11000 и более литров, работающая при давлении В до 10^-3 мм рт. ст., температурах от 300 до —120° С и относительной влажности_воздуха от 110 до 95%, показана на рис. 231, а.

Шкаф предназначен для испытаний материалов и приборов (рис. 231, б). Он работает при давлении 50 мм рт. ст. и температурах от —60 до 90° С,относительная влажность та же, что и в предыдушем случае. Его камера имеет цилиндрическую форму.

В связи с расширяющимися масштабами космических полетов растет необходимость в специальных вакуумных камерах, где проводятся наземные испытания космических летательных аппаратов и их отдельных элементов. Внутри этих камер должны создаваться условия, максимально близкие к условиям в космическом пространстве не только по общему давлению в системе, но и по составу остаточных газов. Давление на высоте 1000 км от поверхности Земли составляет уже — 10^-11 мм рт. ст.

Толщина  земной атмосферы составляет ~2000 км. Вне земной атмосферы в межпланетном пространстве давление составляет 10^-13 — 10^-14 мм рт. ст. Температура в мировом пространстве может быть принята равной 3—4° К. Состав газов на различной высоте над поверхностью Земли также непрерывно изменяется. На рис. 232 показано приближенное строение земной атмосферы на различной высоте над поверхностью Земли. Зависимость давления, температуры, плотности частиц и молекулярной массы от высоты показана на рис. 233.

Для того чтобы воспроизвести условия полета летательного аппарата в космическом пространстве, необходимо главным образом обеспечить соответствующие действительным значениям давление и температуру окружающей среды, а также электромагнитное излучение заданного спектрального состава и возможность движения модели. Однако не всегда необходимо полное воспроизведение этих условий, так как ряд компонентов может быть опробован на специальных более простых установках: в них иногда можно обойтись без солнечного имитатора и создать необходимые условия только по температуре и давлению. В таких специальных установках исследуют различные материалы, изучают трение, механическое движение и т. п.

Температуру в испытательной камере понижают созданием в ней холодных экранов, однако большей частью бывает достаточно поддерживать температуру экранов 80—100° К, так как ошибка при этом составляет меньше 1%. Во время работы установки на холодном экране может образоваться нежелательный налет конденсата, главным образом из воды или углекислого газа. Допустимым признается слой толщиной 1 мкм для H2O или 100 мкм для CO2. Система охлаждения в большинстве случаев работает под избыточным давлением, благодаря чему точка кипения жидкого азота повышается и азот остается в жидком состоянии до тех пор, пока его температура не достигнет новой точки кипения.

Общие требования к средствам создания вакуума зависят от характера проводимых испытаний. В Европе установки работают в основном с диффузионными масляными насосами, в то время как в США (табл. 42) основным средством откачки больших имитаторов служат конденсационные поверхности с температурой 15—20° К и производительностью порядка 106 л/с при условиях всасывания. Масляные диффузионные насосы в таких установках служат только для откачки газов, не конденсирующихся при 0° К — водорода, гелия, неона — и имеют производительность порядка l0000—100000 л/с. Чтобы защитить поверхность с температурой 15—20° К от попадания на нее излучения солнечного имитатора.

На рис. 237 показана модель камеры для воспроизведения космических условий, откачиваемой конденсационным насосом. В этом случае требуется обеспечить большую скорость откачки в течение продолжительного времени. В камере этой модели температура конденсирующей поверхности должна быть равна 20° К, а газы, не конденсирующиеся при этой температуре, можно откачивать диффузионными насосами. Для защиты конденсационного насоса от потерь тепла излучением предусмотрены радиационные краны с прорезями, охлаждаемые жидким азотом.

Рис. 238. Установка фирмы Лейбольд (ФРГ) по системе «двойного колокола емкостью, охлаждаемой до 100° К (рис. 236, а—в). Наиболее благоприятно расположение, показанное на рис. 236, в.

Сверхвысоковакуумные установки можно выполнять в двух вариантах: одинарными или с двойными стенками при одновременном создании высокого вакуума в межстенном пространстве. Выбор установок того или иного типа зависит от конкретных условий. Большую одностенную камеру технически очень трудно прогреть равномерно с применением надвигаемой печи. В установке с двойными стенками сокращается время необходимого прогрева установки, поэтому для установок больших размеров предпочтительнее двухстенная конструкция. На рис. 238 и 239 показаны установки фирмы Шейбольд (ФРГ) для создания условий космического вакуума.

 Таблица 42

Продолжение табл. 42

Продолжение табл. 42

Высотные и космические испытательные камеры изготовляют фирмы Пенсальт (США), Ульвак (Япония) и др. На рис. 240, а показана сверхвысоковакуумная установка EBD-40G (фирма Ульвак, Япония), в которой создается вакуум до 10_в мм рт. ст. и обеспечивается высокая чистота остаточного газа. На рис. 240, б показана установка этой же фирмы для космических испытаний, в которой поддерживается давление до 10^-7 мм рт. ст. и температура—190 С или ниже (соответствующая высоте 300 км над поверхностью Земли).

Недостатки вакуумных откачных систем, состоящих из диффузионного и конденсационного криогенного насосов, заключаются в том, что при 20 К не откачивается водород (выделение водорода при испытаниях составляет 10^-5 мм рт. ст*л/(с*м²) при 300° К), и в том, что возможно попадание масляных паров из диффузионного насоса в откачиваемый объем. В связи с этим вновь проектируемые и создаваемые установки снабжают так называемыми безмасляными средствами откачки. Для малых и средних камер применяют охлаждение криогенной поверхности до 2,5—3° К, при котором парциальное давление водорода меньше 10^-11 мм рт. ст. Для больших камер это экономически нецелесообразно.

Если же криогенная поверхность покрыта слоем вещества, адсорбирующего газы, например цеолитом, с диаметром пор от 4 до 12 А, то водород эффективно удаляется уже при 20 К и достигается давление 10^-13 мм рт. ст. Однако адсорбция не может происходить непрерывно из-за насыщения адсорбента газами и парами H2O. В результате оказывается, что количество откачиваемого газа на единицу поверхности при сорбционной откачке меньше, чем при конденсационной.

 В некоторых случаях используют также и эффект «криозахвата», когда происходит замуровывание молекул неконденсирующихся газов под слоем конденсата из водяного пара, углекислого газа или других конденсирующихся паров. Например, при подаче водяного пара в систему можно сконденсировать углекислоту при 77° К и достичь парциального давления CO2 более низкого, чем давление насыщения. Водород и гелий можно сконденсировать при 20 K добавлением углекислого газа или аргона. Однако такой метод можно применить только в случае, если присутствие в камере постороннего конденсирующегося газа не влияет на проведение опыта; в больших имитаторах космоса он не используется.

Наиболее подходящим дополнением к охлаждаемой до 20° К криогенной поверхности оказывается титановый сублимационный криогенный насос. В нем титановый слой образуется непрерывным напылением в вакууме (рис. 241). При температуре 1500—1600° С происходит сублимация порядка 10 г/ч титана, а запас его в насосе составляет несколько килограммов. При этом поверхность, на которой образуется слой титана, охлаждается жидким азотом. Такой насос не откачивает инертные газы и метан, но он имеет высокую скорость откачки водорода, что очень важно для больших имитаторов космоса. Схема имитатора космоса с использованием титанового сублимационного и ионного насосов показана на рис. 242. Скорость откачки поверхностью, имеющей вид круга диаметром 1 м, составляет —105 л/с. Инертные газы могут откачиваться либо сорбционно-ионными, либо турбомолекулярными насосами.

Иногда дополнительная криогенная поверхность сравнительно небольшой величины, охлаждаемая жидким азотом, включается в работу после достижения давления 5- 10^-2 мм рт. ст., благодаря чему быстро достигаются давления ~10^-4 мм рт. ст., нужные для работы сорбционно-ионного и титанового сублимационного насосов.

Таким образом, для достижения требуемых низких давлений в имитаторах космоса необходимо: а) применение конденсационного криогенного насоса с температурой откачивающей поверхности 20° К, титанового сублимационного криогенного насоса и сорбционно-ионного насоса; б) применение конденсационного криогенного насоса, работающего при 20° К, титанового сублимационного криогенного и турбомолекулярного насосов. Эти два способа дают возможность получать давление меньше 10 11 мм рт. ст. без всякого загрязнения среды в достаточно больших объемах.

Сверхвысоковакуумная откачная установка EBD-400 фирмы Ульвак (Япония), создающая предельное давление 5- 10^-11 мм рт. ст., рекомендуется для изучения трения, испарения, радиации и усталости материалов в условиях, подобных условиям космоса. Эта откачная система является примером безмасляной откачки. Система полностью изготовлена из металла и может прогреваться. Прокладки изготовляют из алюминиевой фольги. Откачка до сверхвысокого вакуума производится сорбционно-ионным и титановым сублимационным насосами. Для предварительной откачки применены два сорбционных насоса и вращательный насос для быстрого создания вакуума от атмосферного давления.