Эффект Казимира

Эффект Казимира

Эффе́кт Ка́зимира (эффект Казимира — Полдера) — эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии, однако эффект Казимира существует и при более сложных геометриях.

Для оптически анизотропных тел также возможно возникновение крутящего момента Казимира, зависящего от взаимной ориентации главных оптических осей этих тел [1] .

Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir, 1909—2000) в 1948 году [2] , а позднее в 1957 году [3] [4] был подтверждён экспериментально.

Содержание

• 1 Суть эффекта
  • 1.1 Аналогия
• 2 Величина силы Казимира
  • 2.1 Графен
• 3 История открытия
• 4 Экспериментальное обнаружение
• 5 Современные исследования эффекта Казимира
• 6 Применение
• 7 В культуре
• 8 Примечания
• 9 Литература
• 10 Ссылки

Суть эффекта [ править | править код ]

Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля. В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра.

Для внесения в вакуум макроскопических тел, даже не имеющих заряда, необходимо выполнить определённую работу, которая требуется для изменения граничных условий для поля вакуумных флуктуаций. Модуль этой работы равен разнице в энергиях нулевых колебаний вакуума в отсутствие и в присутствие тел [5] .

Например, в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями граничные условия для поля флуктуаций по сравнению с вакуумом без тел меняются следующим образом. На определённых резонансных длинах (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями) электромагнитные волны усиливаются. На всех остальных длинах, которых больше, напротив, эти волны подавляются (то есть подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов). Происходит это вследствие того, что в пространстве между пластинами могут существовать только стоячие волны, амплитуда которых на пластинах равна нулю. В результате давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в резонансе и больше — оказывается подавленными. Такое состояние вакуума в литературе иногда называется вакуумом Казимира. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями.

Явление можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишён не только обычных, но и части виртуальных частиц, то есть «откачали всё и ещё чуть-чуть». С этим явлением связан также эффект Шарнхорста.

Аналогия [ править | править код ]

Явление, схожее с эффектом Казимира, наблюдалось ещё в XVIII веке французскими моряками. Когда два корабля, раскачивающиеся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии примерно 40 метров и менее, то в результате интерференции волн в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних бортов кораблей. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть корабли бортами. В качестве контрмеры руководство по мореплаванию начала 1800-х годов рекомендовало обоим кораблям послать по шлюпке с 10—20 моряками, чтобы растолкать корабли. За счёт такого эффекта (в числе прочих) сегодня в океане образуются мусорные острова.

Также эффект напоминает кинетическую теорию гравитации Лесажа, заключающуюся в сталкивании тел друг с другом под давлением неких гипотетических частиц.

Величина силы Казимира [ править | править код ]

Сила притяжения, действующая на единицу площади F c / A /A> для двух параллельных идеальных зеркальных поверхностей, находящихся в абсолютном вакууме, составляет [6]

F c A = ℏ c π 2 240 d 4 , >>=><240d^<4>>>,>

ℏ — приведённая постоянная Планка, c — скорость света в вакууме, d — расстояние между поверхностями.

Отсюда видно, что сила Казимира крайне мала. Расстояние, на котором она начинает быть сколько-нибудь заметной, составляет порядка нескольких микрометров. Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растёт с уменьшением последнего. На расстояниях порядка 10 нм — сотни размеров типичного атома — давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным.

В случае более сложной геометрии (например, взаимодействия сферы и плоскости или взаимодействия более сложных объектов) численное значение и знак коэффициента меняется [7] , таким образом сила Казимира может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания.

Несмотря на то, что в формуле для силы Казимира отсутствует постоянная тонкой структуры α — основная характеристика электромагнитного взаимодействия, — этот эффект, тем не менее, имеет электромагнитное происхождение. Как показано в заметке [8] , при учёте конечной проводимости пластин появляется зависимость от α , а стандартное выражение для силы появляется в предельном случае α ≫ m c / 4 π ℏ n d 4 > , где n — плотность электронов в пластинке.

Графен [ править | править код ]

Эффект Казимира определяет взаимодействие любых электрически нейтральных объектов на малых расстояниях (порядка микрометра и меньше). В случае реалистичных материалов величина взаимодействия обусловливается объёмными свойствами материала (диэлектрическая проницаемость в случае диэлектриков, проводимость для металлов). Однако расчёты показывают, что и для моноатомных слоёв графена сила Казимира может быть сравнительно велика, а наблюдение эффекта может быть доступно экспериментально [9] [10] .

История открытия [ править | править код ]

Хендрик Казимир работал в Philips Research Laboratories в Нидерландах, занимаясь изучением коллоидных растворов — вязких веществ, имеющих в своём составе частички микрометровых размеров. Один из его коллег, Тео Овербек ( Theo Overbeek ), обнаружил, что поведение коллоидных растворов не вполне согласуется с существующей теорией, и попросил Казимира исследовать эту проблему. Вскоре Казимир пришёл к выводу, что отклонения от предсказываемого теорией поведения может быть объяснено, если учитывать влияние флуктуаций вакуума на межмолекулярные взаимодействия. Это и натолкнуло его на вопрос, какое воздействие могут оказать флуктуации вакуума на две параллельные зеркальные поверхности, и привело к знаменитому предсказанию о существовании между последними притягивающей силы.

Экспериментальное обнаружение [ править | править код ]

Когда в 1948 году Казимир сделал своё предсказание, несовершенство существовавших технологий и крайняя слабость самого́ эффекта делали его экспериментальную проверку чрезвычайно трудной задачей. Один из первых экспериментов провёл в 1958 году Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) из центра Philips в Эйндховене. Спаарней пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99 %.

В 2011 году группа учёных из технологического университета Чалмерса подтвердила динамический эффект Казимира. В эксперименте благодаря модификации СКВИДа учёные получили подобие зеркала, которое под воздействием магнитного поля колебалось со скоростью около 5 % от световой. Этого оказалось достаточно для того, чтобы наблюдать динамический эффект Казимира: СКВИД испускал поток микроволновых фотонов, причём их частота была равна половине частоты колебаний «зеркала». Именно такой эффект предсказывала квантовая теория [11] [12] .

В 2012 году группа исследователей из Флоридского университета сконструировала первую микросхему для измерения силы Казимира между электродом и кремниевой пластиной толщиной 1,42 нм при комнатной температуре. Устройство работает в автоматическом режиме и снабжено приводом, который регулирует расстояние между пластинами от 1,92 нм до 260 нм, соблюдая параллельность. Результаты измерений довольно точно совпадают с теоретически рассчитанными значениями. Данный эксперимент показывает, что на данных расстояниях сила Казимира может быть основной силой взаимодействия между пластинами [13] [14] .

В 2015 году удалось экспериментально обнаружить и измерить крутящий момент Казимира [15] .

Современные исследования эффекта Казимира [ править | править код ]

• эффект Казимира для диэлектриков
• эффект Казимира при ненулевой температуре
• связь эффекта Казимира и иных эффектов или разделов физики (связь с геометрической оптикой, декогеренцией, полимерной физикой)
• динамический эффект Казимира
• учёт эффекта Казимира при разработке высокочувствительных МЭМС-устройств.

Применение [ править | править код ]

К 2018 году российско-германской группой физиков (В. М. Мостепаненко, Г. Л. Климчицкая, В. М. Петров и руководимая Тео Чуди группа из Дармштадта) разработана теоретическая и экспериментальная схема миниатюрного квантового оптического прерывателя [en] для лазерных лучей на основе эффекта Казимира, в котором сила Казимира уравновешивается давлением света [16] [17] .

В культуре [ править | править код ]

Довольно подробно эффект Казимира описывается в научно-фантастической книге Артура Кларка «Свет иных дней», где он используется для создания двух парных червоточин в пространстве-времени и передачи через них информации.

Диагностика ДВС по разряжению во впускном коллекторе.

Хочу поделиться информацией о не часто используемом методе диагностирования двигателя по показаниям разрежения во впускном коллекторе.
Чем хорош этот метод? Измерение вакуума во впускном коллекторе позволяет определить неисправность без разборки двигателя, что может быть весьма полезным, если простаивание авто с разобранным двигателем в ожидании запчастей непозволительная роскошь.
Как изменяется вакуум во впускном коллекторе при работе двигателя в режиме холостого хода? Когда закрыт впускной клапан, давление во впускном коллекторе равно атмосферному. На такте впуска воздух поступает в цилиндр через ограниченное отверстие в дроссельной заслонке, поэтому во впускном коллекторе возникает разряжение (абсолютное давление ниже атмосферного). Впускной клапан закрывается, давление снова возрастает. Пульсации давления от разных цилиндров накладываются друг на друга и во впускном коллекторе возникает какое то среднее давление, которое ниже атмосферного (т.н. «разряжение»). Абсолютное давление в вакууме равно нулю, а атмосферное давление равно 100 кРа (100 кило Паскалей). Во впускном коллекторе на холостом ходу (дроссельная заслонка прикрыта) давление ниже атмосферного (т.е. ниже 100 кРа), но выше абсолютного вакуума (0 кРа). Давайте условимся называть разряжением разницу между атмосферным давлением и фактическим давлением во впускном коллекторе.
Для исправного двигателя можно считать допустимым абсолютное давление на уровне не выше 30 кРа (разряжение -70 кРа). Давление в 40 кРа (разряжение -60 кРа) допустимо только для ВАЗов. При давлении в 50 кРа – имеют место серьезные проблемы в двигателе.
На двигателе моего авто разряжение около -76 кРа. Стрелка практически неподвижна. Дальнейшие проверки механической части двигателя не нужны. Мне представляется, что замерить вакуум гораздо проще, чем, например, компрессию, поэтому если есть подозрения на ненормальную работу двигателя, имеет смысл начать с измерения вакуума во впускном коллекторе, а уж потом проводить измерения компрессии или утечек в цилиндрах для локации и уточнения неисправности.
Куда подсоединить вакуумметр? В разрыв любой вакуумной трубки. Чем дальше от впускного коллектора, тем точнее будут показания. Потому что будут сглаживаться более резкие пульсации от ближайшего к точке снятия вакуума цилиндра двигателя. На наших авто очень удобно подсоединяться в разрыв трубопровода, идущего к вакуумному усилителю тормозов. Хочу заметить, что при таком подсоединении имеется риск не заметить утечку вакуума из-за проблем в вакуумном усилителе тормозов. Но обычно утечка в вакуумнике легко определяется по изменению в работе тормозной педали и посторонним звукам (шипению) вблизи вакумника.

Итак, прогрели двигатели, подсоединились. В идеальном двигателе стрелка вакуумметра должна стоять неподвижно на отметке -80 кРа. Так как у большинства форумчан автомобили далеко не новые, то -70 кРа вполне допустимо. При резком кратковременном нажатии на педаль газа вакуум падает до значения -6кРа, затем плавно возвращается до исходного значения.
По каким причинам может снижаться разряжение во впускном коллекторе?
1. Проблемы с компрессией из-за износа поршневых колец или недостаточного смазывания зеркала цилиндра при использовании некачественного или слишком вязкого масла. В этом случае в цилиндры двигателя поступает воздух из картера через увеличившийся зазор между поршнем и цилиндром. Разряжение уменьшается. При равномерном износе стрелка вакуумметра должна стоять неподвижно на отметке ниже -80 кРа. При резком кратковременном нажатии на педаль газа вакуум падает до значения 0кРа, затем плавно возвращается до исходного значения. Чем ниже показания, тем хуже состояние двигателя.
2. Прогар выпускных клапанов. Часть выхлопных газов поступает обратно в цилиндр, давление в цилиндре увеличивается, разряжение уменьшается. Стрелка вакуумметра равномерно колеблется в диапазоне 38-65 кРа. Измерение компрессии укажет на проблемный цилиндр.
3. Неплотное прилегание впускных клапанов. На такте сжатия часть горючей смеси, находящейся в цилиндре, выталкивается обратно во впускной коллектор. Разряжение уменьшается. Стрелка вакуумметра равномерно колеблется в диапазоне 50-60 кРа. После отсоединения свечи неисправного цилиндра колебания стрелки вакуумметра прекратятся. Такое же поведение стрелки вакуумметра будет наблюдаться в случае пропусков зажигания в цилиндре из-за умирающей свечи зажигания или переобогащенной/переобедненной смеси. Для точного понимания причины необходимо измерение компрессии.
4. Недостаточный зазор в свечах зажигания. Стрелка вакуумметра колеблется в диапазоне 50-55 кРа.
5. Задержка фаз газораспределения, проблемы с клапаном VVT. Стрелка вакуумметра колеблется в диапазоне 30-50 кРа.
6. Износ пружин клапанов ГРМ. Стрелка вакуумметра колеблется в диапазоне от 35-75 кРа.
7. Заедание впускного клапана в направляющей. При работе двигателя в режиме холостого хода стрелка вакуумметра колеблется в диапазоне от 48-60 кРа. Измерение компрессии поможет понять, проблема в заедании или неплотном пролегании клапана.
8. Износ направляющих клапанов. При работе двигателя в режиме холостого хода стрелка вакуумметра очень быстро вибрирует в диапазоне 48-65 кРа.
9. Пробитая прокладка головки блока цилиндров. Выхлопные газы перетекают из одного цилиндра в другой. В расширительном бачке пузырьков может и не быть. При работе двигателя в режиме холостого хода стрелка вакуумметра колеблется в диапазоне от 20-65 кРа.
10. Подсос воздуха во впускной коллектор. Стрелка вакуумметра колеблется в диапазоне от 10-20 кРа.
11. Заблокированный выпускной тракт. Например, забитый катализатор. При первом запуске двигателя стрелка вакуумметра падает до уровня 5 кРа, затем скачками поднимается до 50-55 кРа.
Чтобы проверить сопротивление катализатора проходу выхлопных газов, выкручиваем кислородный датчик. У кого их два, выкручивать надо тот, который перед катализатором. Вместо кислородника вкручиваем переходник, к переходнику подсоединяем манометр. В режиме холостого хода на манометре должно быть не более 10 кРа, при 2500 об/мин – не более 20 кРа.

Повреждения вакуумных насосов из-за недостаточного снабжения смазочным маслом

Что произойдет в случае недостаточной смазки вакуумного насоса? Какие повреждения могут возникнуть? Как проверить подачу смазочного масла? Какие существуют варианты снабжения смазочным маслом? Ответы вы найдете в этой технической статье.

Недостаточные смазывающие свойства
по причине старения и загрязнения моторного масла.

Незаменённое вовремя или загрязненное смазочное масло вызывает преждевременный износ вакуумного насоса.

Старое моторное масло сильно загрязнено продуктами механического износа двигателя или частицами сажи из отработанных газов.

Возможные симптомы:

• Заклинивание или повреждение вакуумного насоса
• Повреждения в шлицевом зацеплении привода вакуумного насоса или распределительного вала
• Повреждения распределительного вала

Из-за работы с недостаточным количеством масла в этом шиберном насосе образовались
«задиры».

Лопастные и шиберные вакуумные насосы являются наиболее современным решением для создания разрежения. Как и любым другим вакуумным насосам, им требуется надежное снабжение смазочным маслом. В большинстве случаев для этого используется масло из системы смазки двигателя. При этом использованное для смазки масло вместе с откачанным воздухом направляется обратно в головку блока цилиндров. В случае нарушения или недостаточного снабжения смазочным маслом, довольно быстро возникают неисправности и повреждения вакуумного насоса. В этом случае насос подлежит замене. Заклинивание вакуумного насоса может привести к дальнейшим повреждениям других компонентов и деталей двигателя.

ВАРИАНТЫ ПОДАЧИ МАСЛА

Существуют различные способы снабжения насоса маслом:

1. Прямая подача масла через масляную трубку
Масляная трубка соединяет распределительный вал с вакуумным насосом.

2. Подача масла разбрызгиванием через распределительный вал
Масляный канал выполняется в теле распределительного вала.

3. Прямая подача масла через фланец
Масло к насосу подается через каналы на поверхности фланца в том числе радиально.

ПРОВЕРКА ПОДАЧИ СМАЗОЧНОГО МАСЛА

Для современных высокоэффективных вакуумных насосов требуется объемный поток масла от 30 до 60 литров в час. Поэтому перед установкой нового вакуумного насоса необходимо обязательно убедиться в безупречности подачи смазочного масла:

• Демонтируйте вакуумный насос.
• Защитите навесные узлы и компоненты от попадания масла.
• Разместите резервуар (мерный сосуд или т. п.) рядом с отверстием или каналом подачи смазочного масла.
• Выполните прокрутку стартером или дайте двигателю недолго поработать на холостом ходу, чтобы проверить подачу масла.
• Масло из соответствующего канала или масляной трубки должно подаваться непрерывно или с равномерными пульсациями (типы конструкции: см. выше). В противном случае: устраните причину (возможна блокировка подающего канала).

Пример: на модели Opel Vectra смазочное
масло подается к насосу через
отверстия во фланце.

Институт № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки»

Экспериментальная база

Комплекс стендов для экспериментальной отработки электроракетных двигательных установок и проведения сертификационных испытаний новых материалов, покрытий и оборудования на стойкость к воздействию гетерогенных сред и вакуума.

Описание стенда:

Стенд для проведения сертификационных испытаний новых материалов, покрытий и оборудования на стойкость к воздействию гетерогенных сред и вакуума «ПП-2» (Стенд ПП-2) ориентирован на исследования воздействия сверхвысокого вакуума, электронов, солнечного излучения и низкотемпературной плазмы на аппаратуру, материалы и перспективные покрытия различного назначения в широком диапазоне температур. Стенд оснащен современными средствами контроля вакуума, имитаторами внешних факторов, средствами их измерения и контроля.
На стенде ведутся эксперименты по определению характеристик распыления материалов, ресурса тонкопленочных покрытий, исследуются механизмы воздействия низкотемпературной плазмы на защитные стекла солнечных батарей космических аппаратов (КА), динамика процессов газовыделения неметаллических материалов.

В состав стенда входит три вакуумные камеры:
ПП-2 – объем 2,5 м3, технологические фланцы диаметром 0.5 м.
ЭЛУ-8 – объем 3,5 м3 технологический фланец диаметром 0.9 м., стенки 25 мм., обеспечивают защиту от тормозного рентгеновского излучения, возникающего при облучении высокоэнергетическими электронами (более 30 кВ) исследуемых образцов.
УЗВ-1 – объем 16,5 м3, технологический фланец диаметром 2 м.

2ИУ-2В – объем 3 м3, технологический фланец диаметром 0.9 м

2ИУ-3В – объем 0,7 м3, технологические фланцы диаметром 0.5 м.
2ИУ-4В – объем 5,6 м3.

В состав стенда входят источники низкотемпературной плазмы, источники электронов (до 25 кэВ), имитатор солнечного излучения, энергоанализаторы, масспектрометр, многосеточные зонды, высокочувствительный датчики изменения прозрачности, датчик «кварцевые микровесы», датчик изменения массы с чувствительностью 10-5 г., датчик вторичной эмиссии.

Основное преимущество и уникальность установки состоит в возможности моделирования одновременного воздействия на различные испытываемые объекты низкотемпературной плазмы, потоков электронов, УФ и солнечного излучения при обеспечении высокой степени чистоты исследуемой поверхности, а также в наличии комплекса уникальных средств измерения (датчик прозрачности, датчик изменения массы), обеспечивающих получение необходимой информации о состоянии объектов испытаний. Существенным отличием от аналогов в Российской Федерации является возможность моделирования одновременного воздействия перечисленных выше факторов при высокой степени чистоты исследуемой поверхности. Благодаря наличию перечисленных выше имитаторов и датчиков могут быть получены значимые результаты о механизмах совместного воздействия внешних факторов на перспективные материалы и покрытия. УСУ позволяет проводить междисциплинарные исследования механизмов воздействия низкотемпературной плазмы на работу высоковольтного электронного оборудования. Востребованность со стороны научного сообщества подтверждает большой объем НИР и ОКР, проводимых с использованием УСУ. Создание аналогичных УСУ является экономически нецелесообразным ввиду ее высокой сложности, наличия уникальных датчиков и имитаторов.

Технические параметры:

Установка ПП-2 — вакуумная камера цилиндрическая, вертикального типа, имеет размеры: высота 2 м, диаметр 1.2 м. Камера выполнена из нержавеющей стали, имеет 8 технологических фланцев диаметром 0.5 м. Предварительная откачка оснащена безмаслянной откачной форвакуумной системой XDS35i/EH500 (производительность системы 320 м3/ч, предельный вакуум 5*10-4 мм.рт.ст.), высоковакуумная откачка осуществляется криогенным вакуумным насосом Suzuki Shokan SpaceTorr SA16SI-01S ISO400, четырьмя турбомолекулярными насосами STP-XA4503C. Во время экспериментов уровень вакуума составляет 5*10-6 мм.рт.ст. в безрасходном режиме и 5*10-5 мм.рт.ст. при расходе рабочего тела 1-2 мг/с.

Испытательная установка ЭЛУ-8 — вакуумная камера цилиндрическая, горизонтального типа, имеет размеры: длина 3,5 м, диаметр 1.0 м. Камера выполнена из нержавеющей стали, имеет технологический фланец диаметром 0.9 м., стенки 25 мм., обеспечивают защиту от тормозного рентгеновского излучения, возникающего при облучении высокоэнергетическими электронами (более 30 кВ) исследуемых образцов. Предварительная откачка оснащена безмаслянной откачной форвакуумной системой PS80A/EH500 (производительность системы 320 м3/ч, предельный вакуум 510-4 мм.рт.ст.), высоковакуумную систему включающую в себя турбомолекулярный вакуумный насос KYKY FF250/2000E, крионасос AISIN TJ36-01, систему вакуумных трубопроводов и затворов. Система вакуумных затворов также включает в себя пневматическую магистраль и компрессор.

Испытательная установка УЗВ-1 — вакуумная камера цилиндрическая, горизонтального типа, объемом 16 м3 и массой 9 тонн, размеры: длина 5,2 м, диаметр 2 м. Камера имеет технологический фланец диаметром 2 м. В безрасходном режиме в камере устанавливается разрежение на уровне 10-6 мм. рт.ст. При натекании газа в пределах 4-6 мг/с уровень вакуума составляет 510-5 мм.рт.ст. Проект дооснащения и модернизации УНУ предполагает оборудование УЗВ-1 безмаслянной откачной форвакуумной системой PS80A/EH500 (производительность системы 320 м3/ч, предельный вакуум 510-4 мм.рт.ст.); турбомолекулярными вакуумными насосами TMP-V3304 LM/LMC (6 штук), крионасосом VELCO 1250A.

Установка 2ИУ-2В предназначена для исследования интегральных характеристик ЭРД и параметров струй двигателей с мощностями до 1,5 кВт в непрерывном режиме и до 4 кВт при кратковременном включении. Объем вакуумной камеры (стенки из нержавеющей стали) 3 м3, диаметр 0,9 м(длина рабочего участка 2,5м). Система откачки полностью «безмаслянная» и включает: два двухроторных форвакуумных насоса фирмы Kashiyama MU-603 общей производительностью 300 л/с, два турбомолекулярных насоса с магнитным подвесом ротора фирмы Shimadzu типа TMP-2203 LMC производительностью 2020 л/с каждый, три гелиевых криогенных насоса фирмы Oerlicon тип CoolVАС-18000 (производительность каждого 18000 л/с по азоту и до 7500л/с по ксенону), вакуумные трубопроводы и арматуру. Система откачки позволяет включать каждый из насосов по отдельности для чего на них установлены клапана и шиберные затворы. Истекающая струя ионов принимается специальной водоохлаждаемой мишенью. Статический вакуум в камере поддерживается на уровне 4·10-6 Торр, а уровень динамического вакуума при работе ЭРД мощностью 1 кВт составляет не более 1,5·10-5 Торр. Вакуумная система управляется как в ручном, так и в автоматическом режимах. Возможности вакуумной системы позволяет проводить непрерывные испытания двигателей для подтверждения их ресурсных характеристик.
Установка 2ИУ-3В. Рабочая камера стенда из нержавеющей стали объёмом 0,7 м3 имеет цилиндрическую форму (диаметр 450 мм). В откачной системе используются безмасляные средства получения вакуума: двухступенчатый форвакуумный насос MU-603 фирмы Kashijama (производительностью 150 л/с) и четыре турбомолекулярных насоса с магнитным подвесом ротора TMP-2203LM фирмы Shimatsu с производительностью 2200л/с каждый. Все насосы снабжены клапанами и шиберными затворами, что позволяет подбирать необходимую скорость откачки – уровень давления в ГРК двигателя. Насосный отсек вакуумной камеры снабжён водоохлаждаемой мишенью – приёмником ионного потока из алюминиевого сплава с кольцевыми коническими концентрическими проточками, уменьшающими обратные потоки газа к двигателю. Охлаждение осуществляется от автономной оборотной системы фирмы Julabo (один модуль 11 кВт). Откачная система стенда обеспечивает статически вакуум 6·10-7 Торр и динамический вакуум на уровне 1·10-5 Торр при расходах ксенона до 0,65 мг/с, что позволяет исследовать работу ЭРД мощностью до 0,7 кВт. Достоинством установки является возможность начала эксперимента через 15 минут после начала откачки вакуумной камеры.

История стенда:

Стенд для проведения сертификационных испытаний новых материалов, покрытий и оборудования на стойкость к воздействию гетерогенных сред и вакуума «ПП-2» (Стенд ПП-2) был создан Группой сотрудников кафедры «Электроракетных двигателей и энергетических установок КА» Московского авиационного института. Основным научным направлением Группы было исследование проблем совместимости электроракетных двигателей с космическими летательными аппаратами. У истоков этого направления стоял Валентин Владимирович Рыбаков. Под его руководством было проведено большое количество научно-исследовательских работ, были защищены кандидатские диссертации А. А. Чирова, В. М. Крутилина и В. Ф. Морозова.

С конца 70-х годов Группу возглавил Михаил Петрович Бургасов, который внес большой вклад в дальнейшее становление и развитие Группы. В настоящее время Группа специализируется на исследованиях проблем совместимости двигательных установок с элементами и системами космических аппаратов, а также на исследованиях процессов взаимодействия космического аппарата с окружающей средой.

Основными вехами научного пути Группы было участие в космических научных экспериментах: «Астра-1» на орбитальной станции «Салют», в ходе которого исследовались параметры собственной внешней атмосферы орбитальной станции, участие в экспериментах АДИПЭ на борту геостационарных КА «Горизонт», в ходе которых изучались процессы электризации КА и методы активной нейтрализации заряда КА искусственными плазменными образованиями, а также уникальные испытания бортовой аппаратуры КА «Экспресс» на воздействие плазмы СПД.

Наиболее значительными экспериментальными работами были исследования влияния струй ЭРД на энергетические характеристики солнечных батарей КА; исследование механизмов воздействия высокоскоростных твердых микрочастиц на полупроводниковые фотопреобразователи; исследования механизмов электризации и активной нейтрализации статического заряда внешних поверхностей КА потоками низкотемпературной плазмы; определение характеристик газовыделения материалов внешних поверхностей КА; исследования влияния осаждения тонких пленок металлического рабочего тела ЭРД и продуктов газовыделения конструкционных материалов на интегральные оптические характеристики терморегулирующих покрытий и оптических стекол.

В своей работе Группа придерживается концепции комплексного подхода к исследуемым проблемам. Эксперименты проводятся только после тщательного теоретического анализа и численного моделирования объекта исследований. Для этого создано уникальное программное обеспечение, позволяющие прогнозировать взаимодействие окружающей среды с элементами и системами КА.

Сегодня это ПО используется многими отечественными и зарубежными космическими фирмами, такими как НПО ПМ, НПО им. С. А. Лавочкина, НПО «Энергия», фирмами SEP, MATRA MARCONY ESPACE, AEROSPATIALE.

Группа обладает уникальной экспериментальной базой на основе Стенда для проведения сертификационных испытаний новых материалов, покрытий и оборудования на стойкость к воздействию гетерогенных сред и вакуума «ПП-2» и двух испытательных стендов с большим спектром возможностей для исследований, а также используемых при оценке соответствия оборонной продукции. На этом оборудовании ведутся исследования в области совместимости двигательных установок с элементами и системами КА. В этом направлении уже проведен большой объем работ, получены результаты, оказавшие значительное влияние на разработку и эксплуатацию ряда отечественных и зарубежных космических аппаратов.

Наиболее значимые научные результаты исследований

Изготовлены опытные образцы датчиков системы контроля скорости осаждения компонентов собственной внешней атмосферы.

— Изготовлены макеты датчиков давления собственной внешней атмосферы (СВА) и осажденной массы.

— Разработано программно-математическое обеспечение (ПМО) для анализа механического воздействия струй СПД и ЭТКД на внешние поверхности космического аппарата.

— Создан пакет программ для расчетов эрозионного, загрязняющего, теплового и силового (механического) воздействия струй электроракетных и тепловых двигателей на внешние поверхности космических аппаратов, расчета параметров собственной внешней атмосферы космического аппарата и внутренней атмосферы негерметичного приборного отсека. В настоящее время данное программное обеспечение используется ведущими космическими фирмами России и Европы.

— Созданы расчетные и экспериментальные методики подтверждения стойкости бортовой аппаратуры (БА) КА к воздействию низкотемпературной плазмы, формируемой при работе электроракетных двигателей, проведены испытания образцов БА российских и зарубежных фирм, разработаны методы защиты БА от данного воздействия плазмы. По результатам расчетно-теоретических и экспериментальных работ выбраны эффективные конструкторские и технологические решения, обеспечивающие стойкость отечественных космических аппаратов «Фобос-Грунт», «Ямал», «СЕСАТ», КА серий «Экспресс-АМ», «КазСат», «Экспресс-МД» к воздействию разреженных потоков низкотемпературной плазмы.

— Разработана методика экспериментального определения кинетики газовыделения неметаллических материалов по динамике изменения давления в замкнутом объеме. Созданы высокочувствительные датчики изменения прозрачности и вторичной эмиссии.

1. Камера вакуумная ПП-2 объем 2,5 м 3 , технологические фланцы диаметром 0.5 м.

2. Испытательный стенд ЭЛУ-8 вакуумная камера объем 3,5 м 3 технологический фланец диаметром 0.9 м.

3. Испытательный стенд УЗВ-1 вакуумная камера объем 16,5 м 3 . технологический фланец диаметром 2 м.

4. Откачные вакуумные системы — безмаслянные состоят: форвакуумные насосы типа XDS35i/EH500, высоковакуумные: крионасосы Suzuki Shokan SA16S1-01S, турбомолекулярные насосы STR-XA4503C, турбомолекулярные насосы 01-013-3500-006.

5. Азотная станция Cryomech LNP60

6. Измерение среды и давления в вакуумных камерах квадрупольный масс-спектрометр MicroVisionPlus, вакуумметр широкодиапазонный WRG, вакуумметр сопротивления APG.

7. Система подачи рабочего тела в вакуумную камеру.

8. Источник электронов на базе электронно-оптической системы ЭОСС-2 с энергией электронов до 30 кВ.

9. Источник электронов электронная пушка с блоком питания SUNP.440000.001 с энергией электронов до 100 кВ.

10. Имитатор солнечного излучения на базе газоразрядной ксеноновой лампы высокого давления ДКсР-3000М.

11. Генератор электростатического разряда.

12. Регистратор электростатического поля ДЭП-АДТ.

13. Измерительные приборы: осциллограф GDS, осциллограф DPO3034, пикоамперметры Keithley 6485, мультиметр MY 64, мультиметр Fluke 287/FVF, микровольтметры В7-30, частотомер ACH-8324, прибор комбинированный ТКА-ПКМ, манометр TESTO-510

14. Цифровая камера Видеоскан-415-USB.

15. Полумикровесы MB-210-A

16. Источники питания HCP, APS-3130, APS-4235, ТЕТРОН-20010Е, ТЕТРОН-20001Е.

17. Трансформатор разделительный трехфазный ТРТ-4000 М-220 IP20.

Подробнее со списком оборудования можно ознакомиться:
1. Перечень оборудования. Часть 1.
2. Перечень оборудования. Часть 2.