автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Молекулярные потоки в сложных объектах с учетом газовыделения поверхностей

Х-»»-' —

На правах рукописи

Асташина Мария Александровна

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПОТОКИ В СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТАХ С УЧЕТОМ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 [-;оя

Москва-2009

003483904

Работа выполнена на кафедре низких температур Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Нестеров Сергей Борисович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Розанов Леонид Николаевич

- кандидат технических наук Кряковкия Вячеслав Петрович

Ведущая организация - Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П.Королева

Зашита состоится «04» декабря 2009 г, в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17., корп. Т, аул. Т-206

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет МЭИ

(ТУ).

Автореферат разослан « 03 » Лл

'<01^0 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04, к.ф.-м.н. доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Многие области, в которых используется вакуум, такие как аэрокосмическая промышленность, большие и малые электрофизические установки, физика твердого тела, являются ответственными приложениями, предъявляющими все более жесткие требования к системам обеспечения и контроля вакуума. И, если задача обеспечения необходимого уровня вакуума решается с использованием все более совершенных разрабатываемых средств откачки, то задача контроля сводится не только к доработке и совершенствованию аппаратной базы, но и к разработке методик анализа молекулярных потоков, с учетом основных факторов, влияющих на их изменение. К таким факторам стоит отнести сложную многокомпонентную структуру установок, в которых необходимо контролировать молекулярные потоки, наличие распределенных источников и стоков газа, что формирует неравномерность концентрации, а также, присутствие в реальных условиях нестационарных и неравновесных процессов - изменение быстроты откачки в зависимости от давления, появление и исчезновение течей и нерегламентированных источников газовыделения. Главной целью такой методики анализа молекулярных потоков является формирование исчерпывающей картины о характере распределения молекулярных потоков, распределении концентрации и их изменении в течение технологического процесса. Актуальность разработки такой методики обусловливает еще и то, что зачастую, в сложных системах аппаратные возможности контроля достаточно ограничены, а значение контроля уровня вакуума велико. Например, возникновение даже небольшой течи или паразитного газового потока в системе вакуумной изоляции сверхпроводящих катушек тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе может привести к серьезным последствиям. Столь же существенна роль контроля газовых потоков в ускорительно-накопительных комплексах и космической аппаратуре. При этом, как правило, конструктивные особенности таких систем не позволяют устанавливать в них необходимые аппаратные средства контроля в каждом ответственном участке, поэтому нужно определять распределение молекулярных потоков и концентрации с учетом ограниченности получаемых объективных данных. Главной целью такого подхода является индикация наличия газовых потоков или процессов, не предусмотренных технологическим регламентом, а значит, способных негативно повлиять на работу установки.

Цель работы. Разработка методики анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющей с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме, и, по возможности, прогнозировать соблюдение технологических условий протекания процесса. Разработка и создание модельной экспериментальной установки для расчетио-экспериментального исследования значения уровня газовыделения различных материалов. Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач:

' Сформулировать основные этапы и влияющие факторы, необходимые для создания методики анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах.

■ На основе обзора и сравнительного анализа существующих подходов, которые позволяют анализировать молекулярные потоки в сложных многокомпонентных вакуумных системах выявить наилучший подход для использования в методике анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей. Выработать рекомендации по его применению, и, при необходимости, доработать его для использования в рамках разрабатываемой методики.

■ Выполнить обзор методов и результатов исследования уровня газовыделения материалов в вакууме и разработать на его основе систему анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в разных условиях («ПОТОК»).

" Выполнить экспериментальные исследования влияния различных факторов на структуру к значение газовыделения. Выработать рекомендации по анализу результатов исследований и использованию системы «ПОТОК».

■ Разработать общий алгоритм методики анализа структуры молекулярных потоков с учетом ограниченных возможностей получения объективных данных.

На примере задачи исследования и анализа молекулярных потоков вблизи космического аппарата применить разработанную методику:

■ Выполнить обзор задач и методов исследования молекулярных потоков вблизи космического аппарата.

■ Осуществить моделирование молекулярных потоков вблизи космического аппарата с учетом различных факторов, оказывающих влияние на них.

■ Выработать необходимые рекомендации для изготовления регистрирующего устройства, с помощью которого будет осуществляться мониторинг молекулярных потоков вблизи космического аппарата.

Научная новизна. Разработана и создана модельная экспериментальная установка для расчетно-экспериментального исследования влияния различных факторов на структуру и значение уровня газовыделения различных материалов. Установка включает в себя современные безмасляные откачные средства, что позволяет более точно анализировать газовые потоки с поверхностей исследуемых объектов без учета влияния паров рабочих жидкостей.

Получены экспериментальные результаты по определению времени откачки вакуумной технологической системы в зависимости от способов присоединения высоковакуумных насосов, выявлен один из важнейших факторов, влияющих на правильность выбора откачного оборудования. С помощью данной установки в дальнейшем планируется проводить экспериментальные исследования уровня газовыделения различных материалов.

Впервые разработана информационно-аналитическая система для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий, включающая различные материалы (нержавеющая сталь, медь, алюминий, фторопласт, резина, стекло, витон) при давлениях (до 10"8 Па), температурах (от 25 до 450°С), продолжительности откачки (от 30 минут до 250 часов).

Впервые разработана методика анализа структуры молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющая с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в заданном объеме.

На основе разработанного алгоритма впервые создана программа для моделирования собственной внешней атмосферы космического аппарата с использованием метода пробной частицы, в базовые соотношения которого внесены изменения.

Практическая ценность. Разработанная модельная экспериментальная установка для расчетно-экспериментального исследования влияния различных факторов на структуру и значение уровня газовыделения различных материалов используется в ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С .А. Векшинского».

Разработанная в рамках работы система управления данными по вакуумным свойствам материалов «Поток» используется в ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинского».

Алгоритм расчета сложных многокомпонентных систем используется при проектировании технологических установок в ОАО «Электроприбор», г. Тамбов.

Разработанная методика анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах может использоваться в задачах и приложениях, в которых необходимо контролировать состояние разреженной газовой среды, и при этом, имеются существенные ограничения использования средств такого контроля - мониторинг собственной газовой среды вблизи космического аппарата, поиск, прогнозирование и диагностика течей иди нерегляментированных газовых потоков внутри сложных замкнутых вакуумных системах ускорительно-накопительных комплексов, установок термоядерной энергетики, многослойных системах вакуумной изоляции больших криогенных резервуаров.

Методика и результаты расчетов молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей используются в РКК «Энергия» им. С.П. Королёва.

Автор защищает

■Комплексный алгоритм проектирования многокомпонентных вакуумных систем.

■ Результаты экспериментальных исследований зависимости газовыделения от времени откачки, а также времени откачки вакуумной технологической системы от способов присоединения высоковакуумных насосов.

■ Методику анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющую с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме.

■Результаты расчета молекулярных потоков вблизи источников разных типов в зависимости от расположения регистрирующего устройства.

■ Информационно-аналитическую систему для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий «ПОТОК».

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов расчета подтверждается использованием в различных алгоритмах методик и подходов, достоверность которых многократно подтверждена ранее.

Достоверность экспериментальных исследований подтверждается анализом паспортных данных используемых приборов и методической погрешностью метода исследования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на XIII, XV, XVI научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Судак 2005 г. и Сочи 2007, 2008 г.г.), XII, XIV и XV Международных студенческих школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Судак. 2005. 2007. 2008 г.г.), VII. VIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006, 2009 г.г.), XXXI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2005 г.), 2-ой Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2004 г.), научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2004, 2008 г.г.), 2-ой, 3-ей студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технологии» (Казань, 2005, 2007 г.г.), научных сессиях «МИФИ» (Москва, 2006, 2007 г.г.), XIV международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2008 г.), итоговой конференции «Всероссийский конкурс на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным проектам» (Звенигород, 2004 г.), федеральной школе-конференции по результатам всероссийского конкурсного отбора инновационных проектов аспирантов и студентов по инновационному малому предпринимательству в приоритетных направлениях науки и высоких технологий (Звенигород, 2005), III международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2008 г.), 4-ой международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (Москва, 2008 г.).

Разработанная база данных, содержащая информацию по величинам газовыделения материалов, используемых в вакуумной технике, используется в ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинско-го». База данных подтверждена свидетельством № 08-210 о регистрации объекта интеллектуальной собственности в системе сертификации и оценки объектов

интеллектуальной собственности, зарегистрированной в государственном реестре Госстандарта России 19 июля 1995 г. № РОСС 1ш.0001.04я300. Создана в 2006 г.

Часть работа выполнялась в рамках работы по заказу РКК «Энергия» им. С.П. Королёва и ОАО «Электроприбор».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 21 статья и материал в трудах конференции, 4 тезиса докладов, 4 статьи в журнале «Вакуумная техника и технология», включенном в перечень изданий ВАК РФ.

Структура и объем рабогы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения и имеет объем 156 стр., включая 55 рисунков, 17 таблиц и 2 приложения. Библиография включает 84 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цели и поставлены задачи. Показана научная новизна и практическая ценность работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится обзор и сравнительный анализ существующих подходов к проектированию многокомпонентных вакуумных систем. При проектировании таких систем для больших технологических установок, необходимо учитывать ряд факторов, таких как: необходимость откачки больших объемов, существенное влияние газовыделения, сложность конструкции, динамическое изменение характеристик, результаты экспериментального моделирования рабочих параметров на модельных установках. Это особенно необходимо при разработке систем для ответственных приложений, где «цена ошибки» очень высока. Одним из важнейших факторов, влияющих на правильность выбора от-качного оборудования, является учет значений газовыделения с поверхностей системы и натекания в нее в течение технологического процесса. Неточный учет этих параметров может повлечь за собой увеличение времени предварительной откачки до рабочего давления, а также, в наихудшем случае - невозможность проведения технологического процесса, когда выбранная откачная система ке справляется с необходимым для работы газовым потоком.

В данной главе рассматриваются: метод аналогии с электрическими цепями (традициснный/Дэшмановский подход), метод Монте-Карло (пробной частицы) и метод единого универсального уравнения вакуумной техники (УУВТ).

А также проводится сравнительный анализ и обзор методов исследования газовыделения материалов в вакууме (динамический метод при откачке газа через диафрагму известной проводимости, динамический метод при откачке газа через диафрагму с изменяемой проводимостью, динамический двухпоточный метод, метод накопления) с целью выявления оптимального метода исследования уровня газовыделения для дальнейшего использования в экспериментальной установке.

В результате этого выработаны следующие рекомендации:

• для приблизительных расчетов суммарной проводимости можно применять традиционный метод;

• использование метода, основанного на универсальном уравнении вакуумной техники более эффективно, чем традиционного (Дэшмановского) подхода. Однако его применение осложняется необходимостью наличия исчерпывающих данных о характеристиках элементов, в том числе их зависимостей от рабочего давления, что ограничивает его использование компоновкой вакуумной системы из элементов с известными параметрами. При этом в отличие от метода пробной частицы, область его применения не ограничивается свободномолеку-лярным режимом;

• использование готовой программы, реализующей метод пробной частицы более эффективно, и вместе с тем, проще для освоения, чем проведение расчета по громоздким формулам метода единого универсального уравнения вакуумной техники.

В результате обзора и сравнительного анализа методов исследования газовыделения материалов в вакууме выявлено, что:

■ наиболее простым в использовании методом определения газовыделения является динамический метод при откачке газа через диафрагму известной проводимости. Его можно применять в процессе работы вакуумной системы;

■ самыми точными методами определения газовыделения являются метод накопления (взят в основу экспериментальной установки) и динамический двухпоточный метод.

Во второй главе осуществляется расчет сложной многокомпонентной системы (рис. 1) и фрагмента вакуумной системы (ВС) (рис. 2) для того, чтобы вы-

явить наилучший метод для дальнейшего использования его в методике анализа молекулярных потоков в сложных объектах.

Трубопровод

Сечение 1

\\Ч I

Затвор

(ечеине2

Сечение 3

Переходник________п

' ] Сечение 4

Рис. 2. Схема фрагмента ВС

Рис. I. Схема многокомпонентной ВС

Для расчета применяются методы, рассмотренные ранее в главе 1. Все элементы этих систем являются реальным вакуумным оборудованием.

Представлено описание используемого оборудования, а также проведены расчеты данных систем разными методами и сравнение полученных результатов.

Приведенное сравнение показало (рис. 3,4), что наиболее точный результат (близкий к паспортным данным), дает метод пробной частицы (ММК). Наибольшее отклонение от него дает метод расчета по аналогии с электрическими цепями (ТМ) и метод, основанный на универсальном уравнении вакуумной техники (УУВТ).

1 2 Сечение

давг

ТМ

г

ь а в

Сеченж

б. Расчет фрагмента ВС

а. Расчет многокомпонентной ВС Рис. 3. Результаты расчетов быстроты откачки в сечениях вакуумной системы с использованием разных методов

и

Для приблизительных расчетов суммарной проводимости можно применять традиционный метод. Использование метода, основанного на универсальном уравнении вакуумной техники более эффективно, чем применение традиционного (Дэш-маяовского) подхода.

Поэтому, наиболее простым и эффективным методом расчета для анализа вакуумной системы при свободкомолекулярном режиме течения является метод пробной частицы.

Сечение Сечение

а. Отклонение УУВТ от ММК 5. Отклонение ТМ от ММК

Рис. 4. Отклонение результатов, полученных разными методами от метода пробной

частицы

В третьей главе разработан и создан экспериментальный стенд (модельная установка) для определения значения уровня газовыделения различных материалов методом накопления, состоящий из вакуумной камеры, безмасляных средств откачки и измерительной аппаратуры. Рассмотрены основные особенности анализа и проектирования сложных вакуумных систем. Показано, что для более точного выявления характеристик и нюансов работы сложных технологических систем на этапе их проектирования, нужно использовать модельные экспериментальные установки. На примере проектирования вакуумной системы модельной установки (рис. 5) показаны основные факторы, которые нужно учитывать при анализе таких систем - газовыделение, сложность конструкции, динамическое изменение характеристик. Проведен анализ газовых потоков в камере на примере модельной установки. Исследована зависимость времени откачки камеры от способов присоединения высоковакуумных насосов и получена экспериментальная зависимость газовыделения от времени откачки.

В результате эксперимента получена зависимость давления от времени откачки р(0 (рис. 6, а), а также в результате косвенных измерений была получена зависимость газовыделения со стенок камеры (изготовлена из электрополированной нержавеющей стали) цф (рис.6, б). Данные, полученные в ходе эксперимента, показаны в таблице 1.

Таблица 1

Поток со стенок

Время, ч Давление, Па камеры, Пахм3/(схм2)

0 6,91Е-04 2,45Е-04

0,5 3,94Е-04 1.39Е-04

1 3.21Е-04 1Д4Е-04

2,74Е-04 9J0E-05

2,25 2,34Е-04 8,28Е-05

В результате эксперимента также была исследована зависимость времени откачки вакуумной камеры 40 л для различных способов присоединения к ней (рис. 7) турбомолекулярного насоса производительностью 230 л/с. Указанные значения быстроты действия скорректированы с учетом типа присоединения. Данные, полученные в ходе эксперимента, приведены в таблице 2. Показано, что проведение расчета высоковакуумной системы без учета уровня газовыделения может дать ошибку до двух порядков величины.

5

(s)

-О^З—

-ачг

и

7

1 - вакуумная камера; 2 - спиральный на-

сос XDS10; 3 - турбомолекулярный насос

ЕХТ255; 4 - мембранный насос XDD1;

5 - широкодиапазонный преобразователь

WRG серии ACTIVE; 6 - ионизационный

преобразователь AIGX серии ACTIVE;

7 - преобразователь Пирани APG серии ACTIVE; 8 - клапан.

Рис. 5. Схема и внешний вид экспериментального стенда

По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

• зависимость газовыделения со стенок электрополированной нержавеющей стали имеет степенной характер;

• при расчете времени откачки необходимо учитывать газовыделение со стенок камеры, поскольку при высоком вакууме (Р<10-1 Па), основной вклад в газовый поток вносит именно этот компонент;

• модельная вакуумная установка позволяет на этапе проектирования получать данные, которые можно использовать при расчете анализируемой системы, и, таким образом, увеличивать точность прогнозирования ее характеристик.

а*

о

X ^ Р **2

0 г>~

1 £

ш 3

а а

о 5

о Э

И -

.га

3,7Е-04 3,2Е-04 2,7Е-04 2.2Е-04 1.7Е-04 1.2Е-04 7.0Е-05 2,0Е-С5

•г (2.5+С .91x1! !

! ,4ХГ0'35

[

• И.1±( 1.4)х10^

, (0.8±с(.3)х10"4

к I и

0,5

1 1,5

Время, ч

2,5

а). Газовыделение со стенок камеры от Бремени откачки 1.Е-03

№

X а С о

а

1.Е-04

0,1

1

Время, ч

10

б). Давление в вакуумной камере от времени откачки Рис. 6. Зависимость газовыделения со стенок камеры и давления от времени откачки

Преимуществом данной установки является то, что в ней используются современные безмасляные откачные средства, что позволяет более точно анализировать газовые потоки с поверхностей исследуемых объектов без учета влияния паров рабочих жидкостей.

Таблица 2

Время откачки от 1 Па до 5x10"4 Па в минутах

ТМН напрямую (8=230 л/с) 2,60

ТМИ через сильфон (1=250; с!=25 мм) 8ммк=6.2 л/с 94,20

ТМН через переходник (1=50; (1=25 мм) 8ммк=20,2 л/с 28,96

Без учета С учетом

газовыделений газовыделения

а ап "> с£

0,84 95,19

0,25 29,25

90 80 70

I 60

I 50 I 40

5 зо

О Эксперимент

Р Без учета газовыделекия

ОС учетом

газо8ыделения

20 10 {-

ТМН без переходника (8=230 л/с)

ТМН через смльфон <¡=250 сЗ=25 мм) вммк=6;2 л/с

ТМН через переходник (1=50 <5=25 мм) 8ммк=20,2 л/с

Рис. 7. Зависимость времени откачки камеры от способов присоединения к ней высоковакуумного насоса

Четвертая глава посвяшена созданию информационно-аналитической системы для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий (рис. 8), которая применяется при анализе имеющихся данных (существующая литература по данной тематике) и может применяться для вновь полученных результатов исследований.

Кроме того, она позволит быстро находить данные по газовыделению различных материалов в разных условиях для их учета в расчете вакуумных систем, встраивать различные алгоритмы анализа полученного спектра компонентного состава.

Даная задача является актуальной, так как даже в настоящее время не существует автоматизированных средств для ее решения - обычно используется субъективный опыт исследователя, а известные данные разрознены и могут сильно отличаться даже в одинаковых условиях.

Пятая глава посвящена моделированию молекулярных потоков в сложных объектах, разрабатываются предпосылки для построения алгоритма моделирования и сам алгоритм на базе метода пробной частицы, позволяющий анализировать неосе-симметричные структуры, имеющие в своем составе произвольно расположенные в пространстве (смещенные, наклоненные) поверхности первого и второго порядков.

Материалы: нержавеющая сталь, медь, алюминий, фторопласт, резина, стекло, витон

г дам '.«щщимч. г'П

Давления до 10Па, температуры от 25 до 450 'С. продолжительность откачки от ЗС до 150 мий.

Рис. 8. Система управления данными «ПОТОК»

Для реализации данных возможностей внесены изменения и дополнения в базовые соотношения алгоритма метода. Для обеспечения работы метода пробной частицы с яеосесимметричными объектами был добавлен компонент, позволяющий учитывать угловое смещение при старте с поверхностей, которые находятся под углом к продольной оси.

В ряд базовых соотношений внесены следующие изменения:

■ в формулы для расчета направляющих косинусов при старте с различных поверхностей (плоскость, цилиндр). * в формулу для нахождения направляющих косинусов при вылете с различных поверхностей;

в в формулу для нахождения параметра I при пересечении наклоненного цилиндра (х-х^-сову! (У-Ус)2-Зш2у= гс2;

* в формулу для нахождения параметра I при пересечении конуса (2-с)2=с1§2у((х-хс)2+(у-ус)2).

В шестой главе рассматривается применение методики анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах на примере задачи моделирования газовых потоков вблизи космического аппарата и ее отображения с помощью одиночного 1 регистрирующего устройства, перемещаемого с помощью телескопической штанги и поворотной платформы.

Рассматривается традиционная компоновка для экспериментальных исследований молекулярных потоков в открытом космосе (рис. 9), основные особенности, факторы формирования и изменения разреженной газовой среды вблизи космиче- , ского корабля, а также основные задачи, которые необходимо решить в процессе ее мониторинга.

Полученные ранее экспериментальные данные о характеристиках собственной внешней атмосферы (СВА) позволяют говорить о применимости методов статистического моделирования (метод пробной частицы с возможными модификациями) для анализа экспериментальных данных.

Место изменений концентрации/потока частим

Рис. 9. Традиционная компоновка для экспериментальных исследований молекулярных потоков в открытом космосе

Разработана программа, реализующая алгоритм моделирования молекулярных потоков. В данной главе приведены результаты анализа структуры молекулярных

потоков, а также проведено сравнение полученных результатов. Показана связь данной методики с регистрирующим устройством.

В результате проведенного моделирования молекулярных потоков в сложных объектах было выявлено, что полученные результаты позволяют локализовать источник газового потока с помощью одиночного регистрирующего устройства, которое может перемещаться на телескопической штанге с поворотной платформой (рис. 10). В зависимости от типа перемещения, можно определять как положение источника газового потока, так и его направление (рис. 1 1).

Согласовывая сигнал реального регистрирующего устройства с результатами моделирования, можно определять характер зафиксированного газового потока - фоновое газовыделение, течь через обшивку космического аппарата, «наводки» от работы корректирующих двигателей.

Рассматриваются регистрирующие устройства, которые использовались для проведения экспериментов в открытом космосе, выявлены преимущества и недостатки наиболее распространенных типов преобразователей.

Рис.10. Моделирование перемещения регистрирующего устройства относительно исследуемого объекта

____ 3.5Е-04

—Н=2;

п=1 —3,СЕ-04-

--Н=2;

п=0.1 — 2.6Е-0Л

--Н=2:

11=0.7 ■

-5.0Е-05

Рис. 11. Зависимость доли зарегистрированных частиц от угла поворота регистрирующего устройства при различных угловых распределениях

Определены принципиальные отличия данных преобразователей от тех, которые используются в вакуумных установках на Земле.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В рамках данной работы разработана и создана модельная экспериментальная установка для исследования уровня газовыделения различных материалов. Преимуществом данной установки является то, что в ней используются безмаслянные средства откачки, которые позволяют обеспечить беспримесную газовую среду, не влияющую на значение уровня газовыделения исследуемых материалов. В результате эксперимента исследована зависимость времени откачки вакуумной камеры от способов присоединения высоковакуумных насосов. Данные эксперимента, близки к расчетным только с учетом значения газовыделения со стенок вакуумной камеры. Традиционные расчеты без учета газовыделения, дают отклонения - в десять и более раз. В результате эксперимента показано, что при подключении высоковакуумного насоса непосредственно к камере, время ее откачки практически не изменится, при подключении через сильфон - увеличивается в 50 раз, а через переходник в 10 раз.

Впервые разработана информационно-аналитическая система для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий. Система применяется при анализе имеющихся данных и может применяться для вновь полученных результатов исследований; позволяет встраивать различные алгоритмы анализа полученных данных; включает в себя значения уровня газовыделения и компонентный состав различных материалов (нержавеющая сталь, медь, алюминий, фторопласт, резина, стекло, витон) и условия проведения эксперимента (давления до 10"8 Па, температуры от 25 до 450°С, продолжительности откачки от 30 минут до 250 часов).

Разработана методика анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения исследуемых поверхностей. На ее основе создана программа с использованием метода пробной частицы, в базовые соотношения которого внесены изменения. В результате моделирования молекулярных потоков выявлено, что данная методика позволяет с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме с помощью одиночного регистрирующего устройства. В зависимости от типа перемещения, можно определять как положение источника газового потока, так и его направление. Согласовывая сигнал реального регистрирующего устройства с результатами моделирования и уровнем газовыделения исследуемых объектов, можно определять характер зафиксированного газового потока.

Выработаны рекомендации по разработке конструкции регистрирующего устройства для мониторинга собственной внешней атмосферы космического аппарата: определены принципиальные отличия данных устройств от тех, которые используются в вакуумных установках на Земле.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ:

1. Нестеров С. Б., Асташина М. А., Васильев Ю. К. Анализ различных методов расчета многокомпонентных вакуумных систем. // Вакуумная техника и технология, 2004. - Т. 14. - № 4. - С. 213-219.

2. Нестеров С- к.. Агтятиня М. А.. Вягильеп Ю. К. ОГппп метпдпп и петель-татов исследований уровня газовыделения материалов в вакууме. // Вакуумная техника и технология, 2007. - Т. 17. - № 2. - С. 97-102.

3. Нестеров С. Б., Асташина М. А., Незнамова Л.О., Васильев Ю. К. Задачи и методы исследования среды разреженного газа вблизи космического аппарата. // Вакуумная техника и технология, 2007. - Т. 18. - № 3. - С. 183-186.

4. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Расчетно-эксиериментальнос исследование характеристик разреженного газа на примере модельной установки. // Вакуумная техника и технология, 2009. - Т. 19. - №2.

5. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Использование различных методов расчета для исследования параметров вакуумного оборудования в разных режимах течения // Материалы второй Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология». - Казань: КГТУ. -2005. - С. 24-25.

6. Асташина М.А., Нестеров С.Б. Расчетно-экспериментальное исследование газовых потоков в вакуумных системах. // Материалы XIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Под редакцией доктора технических наук, профессора Быкова Д.В. - М.: МГИЭМ. - 2006. - С. 321-323.

7. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик разреженного газа в приложении к сложным технологическим системам. // Материалы третьей Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология». - Казань: КГТУ. -2007.-С. 29-31.

8. Асташина М.А., Нестеров С.Б. Исследование и анализ вакуумных свойств материалов для моделирования структуры газовой атмосферы около космического корабля. // Материалы XIV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Под редакцией доктора технических наук, профессора Быкова Д.В. - М.: МГИЭМ. - 2007. - С. 51-55.

9. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. К вопросу о моделировании структуры молекулярных потоков, формирующих атмосферу вблизи космического корабля. // Материалы 4-ой международной научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития». - Москва.-2007.-С. 26-27.

10. Асташина М.А., Нестеров С.Б., Васильев Ю.К. Определение источника газовыделения б условиях сложной структуры вакуумной системы. // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2008. - М.:МИФИ. - 2008. - Т. 2. - С. 4546.

11. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Вопросы об обеспечении безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства. // Материалы Ш международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология».Под редакцией доктора технических наук, профессора Нестерова С.Б. - М.: ОМР.ПРИНТ - 2008. - С. 69-70.

12. Асташина М.А., Нестеров С.Б., Васильев Ю.К. Методика обработки результатов мониторинга газовой среды вблизи поверхности космического аппарата. // Материалы XIV международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России».- М: ОАО ЦНИТИ «Техномаш». - 2008. -С. 331-334.

13. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Влияние условий взаимодействия газа с поверхностью космического аппарата на результаты мониторинга его собственной внешней атмосферы. // Материалы XV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Под редакцией доктора технических наук, профессора Быкова Д.В. - М.: МГИЭМ. -2008.-С. 50-51.

14. Асташина М.А., Нестеров С.Б. Расчетно-эхсперименталыюе исследование характеристик разреженного газа на примере модельной установки. // Материалы XV ежегодной международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА", М.: МЭИ. - 2009. - Т. 3. - С. 69-71.

Подписано в печатьД&^С' ОЗС зак. I % / тир j¡00 п.л. Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая ценность.

Автор защищает.

Достоверность полученных результатов.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОТНОСЯЩЕГОСЯ К РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ИССЛЕДОВАНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРЕЖЕННОГО ГАЗА

1.1. Обзор и сравнительный анализ существующих подходов к проектированию многокомпонентных вакуумных систем.

1.1.1. Классические аналитические методы.

1.1.2. Метод Монте-Карло.

1.1.3. Метод расчета с помощью универсального уравнения вакуумной техники (УУВТ).

1.2. Обзор методов исследования газовыделения материалов в вакууме.

1.2.1. Динамический метод при откачке газа через диафрагму известной проводимости.

1.2.2. Динамический метод при откачке газа через сечение с изменяемой проводимостью.

1.2.3. Динамический двухпоточный метод.

1.2.4. Метод накопления.

1.3. Выводы по главе 1.

2. РАСЧЕТ СЛОЖНОЙ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ И ФРАГМЕНТА ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Описание сложной многокомпонентной системы.

2.1.1 Описание используемого вакуумного оборудования.

2.1.2 Сравнение разных методик расчета сложных многокомпонентных систем.

2.2. Описание фрагмента вакумной системы и составляющего его оборудования.

2.2.1. Система двух последовательно соединенных ловушек.

2.3. Выводы по главе 2.

3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРЕЖЕННОГО ГАЗА НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

3.1. Модельная установка для экспериментальных исследований.

3.2. Зависимость газовыделения от времени откачки.

3.3. Исследование времени откачки камеры от способов присоединения высоковакуумных насосов.

3.4. Выводы по главе 3.

4. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ «ПОТОК».

4.1. Исследование зависимости газовыделения с поверхности нержавеющей стали 12Х18Н10Т

4.2. Система управления данными по вакуумным свойствам материалов.

4.3. Выводы по главе 4.

5. АНАЛИЗ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ В ПРИЛОЖЕНИИ К ИССЛЕДОВАНИЮ СОБСТВЕННОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ВБЛИЗИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА.

5.1. Традиционная компоновка для экспериментальных исследований в открытом космосе.

5.2. Задачи и методы исследования молекулярных потоков вблизи космического аппарата.

5.2.1. Структура газовых потоков собственной внешней атмосферы космического аппарата.

5.2.2. Влияние газовых потоков (разреженной газовой среды собственной внешней атмосферы) на космический аппарат.

5.2.3. Основные задачи исследования газовых потоков (собственной внешней атмосферы).

5.2.4. Методы исследования газовых потоков (собственной внешней атмосферы).

5.2.5. Некоторые характерные результаты экспериментальных исследований газовых потоков (собственной внешней атмосферы).

5.3. История и основные подходы к проведению научно-технических экспериментов в открытом космосе.

5.3.1. Исследование собственной внешней атмосферы.

5.4. Выводы по шлаве 5.

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ В СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТАХ АНАЛИЗ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ В ПРИЛОЖЕНИИ К ИССЛЕДОВАНИЮ СОБСТВЕННОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ВБЛИЗИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА.

6.1. Предпосылки для построения алгоритма моделирования молекулярных потоков.

6.2. Алгоритм моделирования молекулярных потоков в сложных объектах.

6.3. Программа, реализующая алгоритм моделирования молекулярных потоков.

6.4. Результаты анализа структуры молекулярных потоков вблизи источников газовыделения.

6.4.1. Зависимость относительного молекулярного потока от расположения регистрирующего устройства.

6.4.2. Зависимость молекулярного потока от расположения регистрирующего устройства при различных угловых распределениях.

6.5. Сравнение полученных данных.

6.6. Связь данной модели с регистрирующим устройством.

6.7. Регистрирующие устройства, которые использовались для проведения экспериментов в открытом космосе.

6.8. Выводы по главе 6.

Разработка и создание модельной экспериментальной установки для рас-четно-экспериментального исследования значения уровня газовыделения различных материалов и методики анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющей с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме, и, по возможности, прогнозировать соблюдение технологических условий протекания процесса крайне актуальна на данный момент. Под молекулярными потоками подразумевается относительное распределение потоков и концентраций частиц в различных точках пространства заданного объема. Кроме непосредственно экспериментальных исследований существует необходимость проведения детального расчетного анализа, чтобы связать полученные в определенной точке пространства около регистрирующего устройства экспериментальные данные с общей картиной распределения характеристик. Так, например, существует проблема соотнесения совокупности значений плотности потока, полученных экспериментально при использовании преобразователя известной формы в ряде заданных позиций с уровнем газовыделения с различных поверхностей сложного объекта, изготовленных из разных материалов.

Другой проблемой является быстрое выявление изменения молекулярных потоков относительно ограниченными средствами из-за влияния различных факторов - утечки из термокамер, работа двигательной системы. Чтобы правильно обработать полученные данные, необходим предварительный расчет возможных вариантов изменения характеристик газовой среды в определенной точке и анализ возможных причин этого.

При проектировании сложных вакуумных систем для больших технологических установок необходимо учитывать ряд факторов, характерных именно для таких систем: необходимость откачки больших объемов, существенное влияние газовыделения, сложность конструкции, динамическое изменение характеристик, результаты экспериментального моделирования рабочих параметров на модельных установках.

Это особенно необходимо при разработке систем для ответственных приложений, где «цена ошибки» очень высока. Одним из важнейших факторов, влияющих на правильность выбора откачного оборудования, является учет значений газовыделения с поверхностей системы и натекания в нее в течение технологического процесса. Неточный учет этих параметров может повлечь за собой увеличение времени предварительной откачки до рабочего давления, а также, в наихудшем случае — невозможность проведения технологического процесса, когда выбранная откачная система не справляется с необходимым для работы газовым потоком.

Определение значения газовыделения - это в первую очередь практическая задача, поэтому основное внимание уделяется экспериментальным методам и результатам, полученным с их помощью. Создание информационной системы обработки данных о вакуумных свойствах материалов крайне актуально: При наличии такой системы, данные по газовыделению, будут представлены в наглядном виде. Таким образом, существенно сокращается время обработки полученных результатов, так как даже в настоящее время не существует автоматизированных средств решения этой задачи — обычно используется субъективный опыт исследователя.

Анализ молекулярных потоков с учетом газовыделения поверхностей позволит получить картину относительного распределения характеристик (потоков и концентрации частиц) в исследуемом объеме.

Актуальность

Многие области, в которых используется вакуум, такие как аэрокосмическая промышленность, большие и малые электрофизические установки, физика твердого* тела, являются ответственными приложениями, предъявляющими все более жесткие требования к системам обеспечения и контроля вакуума. И, если задача обеспечения необходимого уровня вакуума решается с использованием все более совершенных разрабатываемых средств откачки, то задача контроля сводится не только к доработке и совершенствованию аппаратной базы, но и к разработке методик анализа молекулярных потоков, с учетом основных факторов, влияющих на их изменение. К таким факторам стоит отнести сложную многокомпонентную структуру установок, в которых необходимо контролировать молекулярные потоки, наличие распределенных источников и стоков газа, что формирует неравномерность концентрации, а также, присутствие в реальных условиях нестационарных и неравновесных процессов — изменение быстроты откачки в зависимости от давления, появление и исчезновение течей и нерегламентированных источников газовыделения. Главной целью такой методики анализа молекулярных потоков является формирование исчерпывающей картины о характере распределения молекулярных потоков, распределении концентрации и их изменении в течение технологического процесса. Актуальность разработки такой методики обусловливает еще и то, что зачастую, в сложных системах аппаратные возможности контроля достаточно ограничены, а значение контроля уровня вакуума велико. Например, возникновение даже небольшой течи или паразитного газового потока в системе вакуумной изоляции сверхпроводящих катушек тороидального магнитного поля в термоядерном реакторе может привести к серьезным последствиям. Столь же существенна роль контроля газовых потоков в ускорительно-накопительных комплексах и космической аппаратуре. При этом, как правило, конструктивные особенности таких систем не позволяют устанавливать в них необходимые аппаратные средства контроля в каждом ответственном участке, поэтому нужно определять распределение молекулярных потоков и концентрации с учетом ограниченности получаемых объективных данных. Главной целью такого подхода является индикация наличия газовых потоков или процессов, не предусмотренных технологическим регламентом, а значит, способных негативно повлиять на работу установки.

Цель работы

Разработка методики анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющей с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме, п, по возможности, прогнозировать соблюдение технологических условий протекания процесса. Разработка и создание модельной экспериментальной установки для расчетно-экспериментального исследования значения уровня газовыделения различных материалов.

Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач:

Сформулировать основные этапы и влияющие факторы, необходимые для создания методики анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах.

На основе обзора и сравнительного анализа существующих подходов, которые позволяют анализировать молекулярные потоки в сложных многокомпонентных вакуумных системах выявить наилучший подход для использования в методике анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей. Выработать рекомендации по его применению, и, при необходимости, доработать его для использования в рамках разрабатываемой методики.

Выполнить обзор методов и результатов исследования уровня газовыделения материалов в вакууме и разработать на его основе систему анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в разных условиях («ПОТОК»).

Выполнить экспериментальные исследования влияния различных факторов на структуру и значение газовыделения. Выработать рекомендации по анализу результатов исследований и использованию системы «ПОТОК». Разработать общий алгоритм методики анализа структуры молекулярных потоков с учетом ограниченных возможностей получения объективных данных. На примере задачи исследования и анализа молекулярных потоков вблизи космического аппарата применить разработанную методику:

Выполнить обзор задач и методов исследования молекулярных потоков вблизи космического аппарата.

Осуществить моделирование молекулярных потоков вблизи космического аппарата с учетом различных факторов, оказывающих влияние на них.

Выработать необходимые рекомендации для изготовления регистрирующего устройства, с помощью которого будет осуществляться мониторинг молекулярных потоков вблизи космического аппарата.

Научная новизна

Разработана и создана модельная экспериментальная установка для расчет-но-экспериментального исследования влияния различных факторов на структуру и значение уровня газовыделения различных материалов. Установка включает в себя современные безмасляные откачные средства, что позволяет более точно анализировать газовые потоки с поверхностей исследуемых объектов без учета влияния паров рабочих жидкостей.

Получены экспериментальные результаты по определению времени откачки вакуумной технологической системы в зависимости от способов присоединения высоковакуумных насосов, выявлен один из важнейших факторов, влияющих на правильность выбора откачного оборудования. С помощью данной установки в дальнейшем планируется проводить экспериментальные исследования уровня газовыделения различных материалов.

Впервые разработана информационно-аналитическая система для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий, включающая различные материалы (нержавеющая сталь, медь, алюминий, фторопласт, резина, стекло, витон) при давлео ниях (до 10" Па), температурах (от 25 до 450°С), продолжительности откачки (от 30 минут до 250 часов).

Впервые разработана методика анализа структуры молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющая с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в заданном объеме.

На основе разработанного алгоритма впервые создана программа для моделирования собственной внешней атмосферы космического аппарата с использованием метода пробной частицы, в базовые соотношения которого внесены изменения.

Практическая ценность

Разработанная модельная экспериментальная установка для расчетно-экспериментального исследования влияния различных факторов на структуру и значение уровня газовыделения различных материалов используется в ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинско-го».

Разработанная в рамках работы система управления данными по вакуумным свойствам материалов «Поток» используется в ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинского».

Алгоритм расчета сложных многокомпонентных систем используется при проектировании технологических установок в ОАО «Электроприбор», г. Тамбов.

Разработанная методика анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах может использоваться в задачах и приложениях, в которых необходимо контролировать состояние разреженной газовой среды, и при этом, имеются существенные ограничения использования средств такого контроля - мониторинг собственной газовой среды вблизи космического аппарата, поиск, прогнозирование и диагностика течей или нерегламентированных газовых потоков внутри сложных замкнутых вакуумных системах ускорительно-накопительных комплексов, установок термоядерной энергетики, многослойных системах вакуумной изоляции больших криогенных резервуаров.

Методика и результаты расчетов молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей используются в РКК «Энергия» им. С.П. Королёва.

Автор защищает

Комплексный алгоритм проектирования многокомпонентных вакуумных систем.

Результаты экспериментальных исследований зависимости газовыделения от времени откачки, а также времени откачки вакуумной технологической системы от способов присоединения высоковакуумных насосов.

Методику анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения поверхностей, позволяющую с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме.

Результаты расчета молекулярных потоков вблизи источников разных типов в зависимости от расположения регистрирующего устройства.

Информационно-аналитическую систему для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий «ПОТОК».

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов расчета подтверждается использованием в различных алгоритмах методик и подходов, достоверность которых многократно подтверждена ранее.

Достоверность экспериментальных исследований подтверждается анализом паспортных данных используемых приборов и методической погрешностью метода исследования.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены на XIII, XV, XVI научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Судак 2005 г. и Сочи 2007, 2008 г.г.), XII, XIV и XV Международных студенческих школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Судак, 2005, 2007, 2008 г.г.), VII, VIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006, 2009 г.г.), XXXI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2005 г.), 2-ой Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2004 г.), научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2004, 2008 г.г.), 2-ой, 3-ей студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технологии» (Казань, 2005, 2007 г.г.), научных сессиях «МИФИ» (Москва, 2006, 2007 г.г.), XIV международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2008 г.), итоговой конференции «Всероссийский конкурс на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным проектам» (Звенигород, 2004 г.), федеральной школе-конференции по результатам всероссийского конкурсного отбора инновационных проектов аспирантов и студентов по инновационному малому предпринимательству в приоритетных направлениях науки и высоких технологий (Звенигород, 2005), III международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2008 г.), 4-ой международной научнопрактической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (Москва, 2008 г.).

Разработанная база данных, содержащая информацию по величинам газовыделения материалов, используемых в вакуумной технике, используется в ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Век-шинского». База данных подтверждена свидетельством № 08-210 о регистрации объекта интеллектуальной собственности в системе сертификации и оценки объектов интеллектуальной собственности, зарегистрированной в государственном реестре Госстандарта России 19 июля 1995 г. № РОСС 1Ш.0001.04Я300. Создана в 2006 г.

Часть работы выполнялась в рамках работы по заказу РКК «Энергия» им. С.П. Королёва и ОАО «Электроприбор».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 21 статья и материал в трудах конференции, 4 тезиса докладов, 4 статьи в журнале «Вакуумная техника и технология», включенном в перечень изданий ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения и имеет объем 156 стр., включая 55 рисунков, 17 таблиц и 2 приложения. Библиография включает 86 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В рамках данной работы разработана и создана модельная экспериментальная установка для исследования уровня газовыделения различных материалов. Преимуществом данной установки является то, что в ней используются безмас-лянные средства откачки, которые позволяют обеспечить беспримесную газовую среду, не влияющую на значение уровня газовыделения исследуемых материалов. В результате эксперимента исследована зависимость времени откачки вакуумной камеры от способов присоединения высоковакуумных насосов. Данные эксперимента, близки к расчетным только с учетом значения газовыделения со стенок вакуумной камеры. Традиционные расчеты без учета газовыделения, дают отклонения - в десять и более раз. В результате эксперимента показано, что при подключении высоковакуумного насоса непосредственно к камере, время ее откачки практически не изменится, при подключении через сильфон - увеличивается в 50 раз, а через переходник в 10 раз.

Впервые разработана информационно-аналитическая система для сбора, представления, анализа и управления данными по газовыделению различных материалов в широком диапазоне условий. Система применяется при анализе имеющихся данных и может применяться для вновь полученных результатов исследований; позволяет встраивать различные алгоритмы анализа полученных данных; включает в себя значения уровня газовыделения и компонентный состав различных материалов (нержавеющая сталь, медь, алюминий, фторопласт, резина, стекло, витон) и условия проведения эксперимента (давления до 10" Па, температуры от 25 до 450°С, продолжительности откачки от 30 минут до 250 часов).

Разработана методика анализа молекулярных потоков в сложных объектах и системах с учетом газовыделения: исследуемых поверхностей; На ее основе создана программа с использованием метода пробной частицы, в базовые соотношения которого внесены изменения. В результате моделирования.молекулярных потоков выявлено, что данная методика позволяет с помощью ограниченного количества объективных данных формировать и отслеживать относительные распределения потоков и концентраций частиц в исследуемом объеме с помощью одиночного регистрирующего устройства. В зависимости от типа перемещения, можно определять как положение источника газового потока, так и его направление. Согласовывая сигнал реального регистрирующего устройства с результатами моделирования и уровнем газовыделения исследуемых объектов, можно определять характер зафиксированного газового потока.

Выработаны рекомендации по разработке конструкции регистрирующего устройства для мониторинга собственной внешней атмосферы космического аппарата: определены принципиальные отличия данных устройств от тех, которые используются в вакуумных установках на Земле.

1. Knudsen М. Die Gesetze der Molecular Stronimung uad der inneren Reibungst-parallel plates. 11 The Physics of Fluids, 1873. v. 16. - №. 5. - pp. 594-599.

2. Smoluchowski M. Zur kinetichen Theorie der Transpiration und Diffusion verdünnter Gase // Ann der Physik, 1910. Bd 33. - pp. 1559-1570.

3. Clausing P. On the linger time of molecules in the flow of highly rarefied gases. Amsterdam, 1928. - p. 124.

4. Дэшмаи С. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, 1964.873 с.

5. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов A.B. Расчет сложных вакуумных систем. М.: МЭИ, 2001. - С. 180.

6. Беляев JI.A. К расчету N-компонентных вакуумных систем. // Вакуумная техника и технология, 2002. Т. 12. - №. 1. — с. 31-44.

7. Беляев JI.A. К расчету N-компонентных вакуумных систем. Часть 2. // Вакуумная техника и технология, 2002. Т. 12. - №. 4. - с. 215-224.

8. Oatley С. The experimental determination of the speed of a vacuum pump and of components of a vacuum system. // British Joum. Of Appl. Phys., 1964. №. 9. -pp. 358-362.

9. Steckelmacher W. A review of the molecular flow conductance for systems of tubes and components and the measurement of pumping speed. // Vacuum, 1966. v. 16. -№. 11.-pp. 561-584.

10. Тягу нов Г.А. Основы расчета вакуумных систем. М.: Госэнергоиз-дат, 1948.

11. Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980. - С. 55-71.

12. Розанов JI.H. // Журн. техн. физ., 1973. Т. 3. - в. 4. - С. 873.

13. Розанов Л.Н//Журн. техн. физ., 1973.-Т. 63.-№ 6.-С. 1284-1289.

14. Розанов Л.Н., Лебедев В.М., Щенев В.В. Расчеты проводимости сложных высоковакуумных систем. // Новые исследования по физике и технике высокого вакуума. III Всесоюзн. научно-техн. конф. «Физика и техника высокого вакуума».-Л, 1971.-С. 133.

15. Розанов Л.Н. Вакуумные машины и установки. Л.: Машиностроение, 1975.

16. Розанов Л.Н., Щенев В.В. Математическое моделирование течения газа в молекулярном режиме при равномерном угловом распределении молекул на входе. // Научн.-техн. сб. «Электронная техника», 1974. с. 4. — в. 1. - С. 33-40.

17. Калашник Л.И., Кислов A.M., Лившиц Э.М. Расчет параметров криогенных вакуумных камер методом Монте-Карло. // ИЖФ, 1967. Т. 13. - № 6.

18. Калашник Л.И., Кислов A.M., Лившиц Э.М. Моделирование имитаторов космоса на ЭВМ. // Криогенная и вакуумная техника, Харьков, 1968. в. 4.

19. Калашник Л.И., Кислов A.M., Лившиц Э.М. Расчет эффективности подсветки лазера методом статистического моделирования. // Вычислительная математика и вычислительная техника, научн.-техн. сб. Харьков, 1969. в. 1.

20. Калашник Л.И., Кислов A.M., Лившиц Э.М. Статистическое моделирование процесса напыления пленок в вакууме. // ИЖФ, 1969. — Т. 17. в. 1. - с. 140.

21. Кислов A.M. Расчет молекулярного течения в вакуумных системах с поглощающими стенками-. // Вычислительная математика и вычислительная техника, научн.-техн. сб. Харьков, 1971. в. 2.

22. Кислов A.M., Лившиц Э.М. О сравнении эффективностей двух схем статистического моделирования в задачах переноса // Вычислительная математика и вычислительная техника, научн.-техн. сб. Харьков, 1972. в. 3.

23. Кислов A.M. Расчет методом Монте-Карло распределения молекулярных потоков в криогенной вакуумной камере и сравнение его с экспериментом. // Криогенная и вакуумная техника, научн.-техн. сб. Харьков, 1973. в. 3.

24. Жилнин B.C., Жилнина Л.П., Кузьмин A.A. Газоотделение некоторых конструкционных материалов в вакууме при температурах +150 +450 С. НИИВТ им. С. А. Векшинского, 1966.

25. Жилнин B.C., Жилнина Л.П., Федорова Г.Н., Кремнев H.A., Коляскин П.И. Разработка методики определения степени обезгаживания деталей электровакуумных приборов. НИИВТ им. С. А. Векшинского, 1974.

26. Redhead P. A. Recommended practices for measuring and reporting out-gassing data. // J. Vac. Sei. Technol. A 20(5), Sep/Oct 2002, pp. 1667-1675.

27. Пипко А.И., Плисковский В.И., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. — М.: Энергия, 1979. 501 с.

28. Бургмистров A.B., Осипов П.П., К.Б. Панфилович. Исследование проводимости каналов с криволинейными стенками. // Вакуумная техника и технология, 2004.-Т. 14.-№ 1.-С. 27-30.

29. Бургмистров A.B., С.И. Саликеев, К.Б. Панфилович. Исследование течения газа в каналах вакуумных насосов и систем. // Известия вузов. Машиностроение. 2003. - №8. - С. 19-25.

30. Бургмистров A.B., Д.Г. Караблинов, М.Д. Бронштейн. Уравнения для расчета проводимости различных видов целевых каналов в молекулярном режиме течения. // Вакуумная техника и технология, 2004. Т. 14. - № 1. - С. 9-13.

31. Асташина М.А., Нестеров С.Б., Васильев Ю.К. Анализ методов расчета для исследования параметров вакуумного оборудования в разных режимах течения. // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2006. М.:МИФИ.2006.-Т. 8.-С. 19-20.

32. Нестеров С.Б., Асташина М.А., Васильев Ю.К. Обзор методов и результатов исследований уровня газовыделения материалов в вакууме. // Вакуумная техника и технология, 2007. Т. 17. - № 2. - С. 97-102.

33. Каталог продукции фирмы ACT AN, 2008.

34. Vacuum valves. Каталог. Швейцария, 2007. с. 219.

35. Вакуумная техника: Справочник / Фролов Е.С., Минайчева В.Е. Москва, Машиностроение, 1992. С. 480.

36. Вакуумное оборудование. Каталог. Казань: издательский центр «Арт-кафе», 2007. С. 96.

37. Нестеров С.Б., Асташина М.А., Васильев Ю. К. Анализ различных методов расчета многокомпонентных вакуумных систем. // Вакуумная техника и технология, 2004. Т. 14. - № 4. - С. 213-219.

38. Асташина М.А., Нестеров С.Б., Васильев Ю.К. Обзор методов и результатов исследований уровня газовыделения материалов в вакууме // «Вакуумная техника и технология». 2007. Т. 17. № 2. С. 97-102.

39. Karl Jousten. PRESSURE MEASUREMENT WITH IONIZATION GAUGES. // CERN Issues, 2003.

40. Розанов JT.H. К вопросу о расчете десорбционного газовыделения в вакуумных системах. // Вакуумная техника и технология, 1994. Т. 4. - № 4. - С. 24-26.

41. Асташина М.А., Васильев Ю.К., Нестеров С.Б. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик разреженного газа на примеремодельной установки. // Вакуумная техника и технология, 2009. Т. 19. - №2. -С. 67-70.

42. Чубаров Е.В. Исследование и расчет газовыделения конструкционных материалов при проектировании криогенно-вакуумных систем. Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М. - 1982.

43. Куприянов В.И., Чубаров Е.В., Тарасов Н.Н., Буланов В.И. Газовыделение материалов в непрогреваемых вакуумных системах. Методическое пособие. М. - 1985.

44. Manuel Uy O., Benson R. C., Erlandson R. E., Boies M. T., Lesho J. F., Galica G. E., Green B. D., Wood B. E., Hall D. F. Contamination Experiments in the

45. Midcourse Space Experiment. // JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, 1997. Vol. 34. - №. 2. - p. 218-225.

46. Jarossy F. J., Bareiss L. E., Pizzicaroli J. C., Owen N. L., Shuttle/Payload Contamination Evaluation Program (SPACE). // Final Report by Martin Marietta Corp., NASA CR-188257, 1981.

47. Kessler D. J., Orbital debris environment for spacecraft in low earth orbit. // JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, 1991. Vol. 28. - №. 3. - p. 347351.

48. Kessler D.J., Azz-Meador P.D. Effects on the orbital debris environment due to solar activity.// AIAA Paper 90-0083. Jan. 1990.

49. Kessler D.J. Sources of orbital debris and the projectad environment for future spacecraft. // Journal of spacecraft and rockets, 1981. Vol. 18. -№. 4. - p. 357360.

50. Kessler D.J., Reynolds R.C., Azz-Meador P.D. Orbital debris environment for spacecraft designed to operate in low earth orbit. // NASA TM-100-471, April 1988.

51. Henize К., Stanley J. Optical observations of orbital debris. // AIAA Paper 90-1340. April 1990.

52. Beusch J., Kupiec I. NASA environment characterization with haystack radars. // AIAA Paper 90-1346. April 1990.

53. Maag C. R., Deshpande S. P., Stevenson T. J., Svetchkin B. The orbital debris environment as measured at the Mir space station. // 47th International Astronautical Congress, China, 1996

54. Carey. W.C. Final technical report. // ESTEC 10830/94/NL/JG, 1995.

55. Borg J., Maag C.R., Bibring J.P., Alexander W.M. The comrade experiment: a collection facility for cometary dust and space debris. // Proceedings of the first European conference on space debris, 1993.

56. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева. 19461996. / Под редакцией Семенова Ю.П. М.: Менонсовполиграф. - 1996. - 670с.

57. Марков А.В., Сорокин И.В. Наследие С.А. Королева и современные проблемы использования пилотируемых комплексов. // Полет, 2007. №1. - С. 24. -33.

58. Модель космоса: Научно-информационное издание / под ред. М.И. Панасюка, JI.C. Новикова. Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. - М. : КДУ, 2007. - 1144 с.

59. Незнамова Л.О., Никитский В.П., Годион В.Н., Гужва Е.Г. Результаты исследования собственной воздушной атмосферы в окрестностях орбитального комплекса «Мир». // Труды X Всесоюзной конференции «Динамика разреженных газов». М. 1990. - С. 35. - 37.

60. С. Валяев HK. Россия. Модуль «Спектр»: эксперимент «Астра-2». «Новости космонавтики». 1995. —№ 12.

61. JI.A. Донской, В.П. Пылев, Б.А. Рабинович, В.В. Сергеев. Исследование параметров разреженной атмосферы, окружающей космические аппараты при орбитальном полете. // АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2003. № 6.

62. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов A.B. Расчет сложных вакуумных систем. М.: Издательство МЭИ. - С. 3-40.

63. Асташина М.А., Нестеров.С.Б., Васильев Ю.К. Определение источника газовыделения в условиях сложной структуры вакуумной системы. // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2008. М.:МИФИ. - 2008. - Т. 2. - С. 4546.

64. Нестеров С. Б., Асташина М. А., Незнамова JI.O., Васильев Ю. К. Задачи и методы исследования среды разреженного газа вблизи космического аппарата. // Вакуумная техника и технология, 2007. Т. 18. - № 3. - С. 183-186.