Основными параметрами, характеризующими воздействие солнечной радиации, являются: спектральное распределение энергии излучения, а также интенсивность излучения, или поверхностная плотность потока энергии излучения. Интенсивность солнечного излучения, характеризуемая солнечной энергией, приходящейся на единицу поверхности, перпендикулярной солнечным лучам на среднем расстоянии от Солнца вне земной атмосферы, называют солнечной постоянной Е0.Она зависит от степени поглощения и рассеяния радиации в атмосфере. Рекомендуется значение суммарной радиации у земной поверхности при нахождении Солнца в зените принимать равным 1,12 кВт/м2. Отсюда следует, что для обеспечения эквивалентного теплового воздействия необходимо скорректировать интенсивность искусственного источника Еех, таким образом, чтобы Еех = 1,12аes/аex, где аes — коэффициент поглощения изделием излучения искусственного источника, зависящий от его спектрального распределения энергии излучения; аex — коэффициент поглощения изделием излучения суммарной солнечной радиации, зависящей от ее спектрального распределения энергии.Для проведения испытаний на воздействие солнечной радиации необходимо в заданной плоскости измерения обеспечить излучение, воспринимаемое испытуемым изделием, с интенсивностью 1,12 кВт/м2 и определенным спектральным распределением энергии (табл. 1). В указанное значение интенсивности должны также входить излучения, полученные за счет отражения от стенок камеры, однако не должны входить инфракрасные излучения от нагреваемых стенок камер.Наряду с рассмотренными к параметрам камер солнечной радиации относятся: температура, скорость циркуляции воздуха и его относительная влажность. Температура воздуха в камере при облучении во время темной фазы должна достигать 40 или 55 °С в зависимости от метода испытаний, воспроизводящего предполагаемые условия эксплуатации.
Поскольку для испытаний применяются камеры с принудительной циркуляцией воздуха, необходимо учитывать возможность охлаждения изделий и термопреобразователей под действием воздушного потока. Даже столь малая скорость циркуляции воздуха, как, например, 1 м/с, может вызвать уменьшение температуры перегрева более чем на 20%.В качестве искусственных источников солнечного излучения используются одна или несколько специальных ламп, а также ряд оптических элементов (рефлекторов, светофильтров и т. д.), обеспечивающих получение требуемого спектра и заданной интенсивности излучения. Источники излучения различаются по физической природе излучения. Они могут быть основаны на нагревании, на принципе электролюминесценции, на одновременном использовании нагрева и электролюминесценции.К источникам излучения, основанным на нагревании, относятся вольфрамовые лампы. Вакуумные или газонаполненные вольфрамовые лампы большую часть своей энергии излучают в области коротковолновых инфракрасных лучей и почти не излучают ультрафиолетовых лучей, что ограничивает их применение. Так, например, вакуумная лампа при температуре вольфрамовой нити Т = 2500 К имеет максимум излучения в области X = 1,15 мкм, а газонаполненная лампа при температуре нити Т= 3000 К — в области X = 0,96 мкм. Если принять всю энергию, излучаемую вакуумной лампой, за 100%, то только 7— 12% приходится на видимую часть спектра, а остальная часть, за исключением небольших потерь, излучается в виде инфракрасных лучей.Лампы с вольфрамовой нитью в колбе из кварцевого стекла с галогенным наполнителем обладают лучшей стабильностью рабочих характеристик на протяжении всего срока службы. Поскольку в солнечном спектре приблизительно 50% энергии приходится на видимую и ультрафиолетовую части спектра, что соответствует длинам волн короче 0,7 мкм (рис. 1), использование вольфрамовых ламп целесообразно только в случаях, когда необходимо воспроизведение инфракрасного и теплового воздействий.
В отличие от источников излучения, основанных на нагревании и дающих сплошной спектр, электролюминесцентные излучатели имеют прерывистый спектр. Они характеризуются высокоинтенсивным селективным излучением в очень узкой области спектра, зависящей от газового заполнения. Люминесценция представляет собой свечение, возникающее в процессе перехода различных видов энергии в энергию излучения вне зависимости от теплового состояния излучающего вещества, и поэтому люминесцентные излучатели называют источниками холодного света. Явление холодного свечения (электролюминесценция) возникает при прохождении электрического тока через разреженный инертный газ или через пары ртути, при этом происходят столкновения электронов и ионов в процессе их движения в электрическом поле. Указанное явление используется в газоразрядной трубке, представляющей собой стеклянный или кварцевый баллон, наполненный под давлением газом или парами некоторых металлов. В баллон впаиваются металлические электроды, к которым подводится напряжение, необходимое для возникновения разряда.В испытательных камерах используются также ртутные лампы, называемые иногда ртутно-паровыми лампами, так как дуговой разряд происходит в парах ртути. В них наряду с электронным током возникает ионный ток, проходящий от анода к катоду. Однако, поскольку скорость электронов значительно больше скорости ионов, плотность электронного тока больше, чем ионного, и поэтому общий разрядный ток ртутной дуги определяется в основном электронным током. При возрастании плотности тока возникает ионизация.В зависимости от давления паров ртути, при котором происходит ртутно-дуговой разряд, различают лампы трех видов: низкого, высокого и сверхвысокого давления. Ртутные лампы низкого давления являются электролюминесцентными излучателями, они обеспечивают излучение в ультрафиолетовой части спектра. В ртутных лампах высокого и сверхвысокого давления излучение происходит за счет ртутно-парового разряда, нагрева кварцевого стекла баллона, а также люминесценции. Эти лампы излучают главным образом в длинноволновой инфракрасной (ИК) части спектра. Причем с ростом давления линейчатый спектр переходит в сплошной, что сопровождается относительным возрастанием излучения коротковолновых инфракрасных лучей. Ртутные лампы (особенно сверхвысокого давления) характеризуются большим КПД, доходящим до 75%, малыми эксплуатационными расходами и большим сроком службы (до 8000 ч). К недостаткам можно отнести ограниченную возможность регулирования режимов возникновения отказов вследствие конденсации паров при понижении температуры и т. д.К люминесцентным относятся также и ксеноновые излучатели, обеспечивающие получение спектра, наиболее приближающегося к солнечному (рис. 2). Спектр излучения зависит от длины разрядных промежутков, мощности ламп, их геометрической формы и размеров. Так, при коротких разрядных промежутках относительная энергия излучения больше, чем при длинных, и она в большей степени сосредоточена в ИК части спектра. Потребляемая мощность ксеноновых излучателей и эксплуатационные расходы весьма значительны. Теоретический срок службы порядка 5000 ч.Дуговые лампы основаны на использовании дугового разряда, образующегося между двумя угольными или графитовыми электродами. Они позволяют получить спектр излучения, имеющий максимум 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 Х, мкм
в области коротковолновой части инфракрасного излучения (0,7— 0,8 мкм) и пик в начале ультрафиолетовой части спектра. Недостатками дуговых ламп являются постепенное затухание вольтовой дуги, приводящее к ограниченному времени непрерывной работы, а также недостаточная локализация и фиксация источника излучения.Сравнение спектра солнечного излучения со спектрами ламп, применяемых для его имитации, показывает их недостаточное совпадение. В то время как солнечный свет дает приблизительно непрерывный (сплошной) спектр, все искусственные источники имеют определенные спектральные линии. В связи с этим для получения необходимого спектра излучения применяют светофильтры, которые могут быть стеклянными и жидкостными, абсорбционными и интерференционными. Выбор светофильтра зависит от источника излучения и его использования. Предпочтение отдается стеклянным фильтрам. К недостаткам стеклянных фильтров можно отнести неодинаковую оптическую плотность стекол, тенденцию к изменению спектральных характеристик под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения.Стеклянные адсорбционные фильтры основаны на способности ряда оптических материалов к избирательному поглощению в одной или нескольких областях спектра излучения. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветных оптических стекол, окрашенных пластмасс, а также ряда других оптических материалов. Недостатки указанных фильтров — малая контрастность и крутизна фронтов спектральной характеристики.В ряде случаев находят применение многослойные стеклянные интерференционные светофильтры, действие которых основано на интерференции лучей, многократно отражающихся и проходящих через тонкие слои прозрачных материалов. Подбирая показатели преломления, толщины и число этих слоев, можно получать различные светофильтры с почти произвольными спектральными свойствами. Интерференционные фильтры меньше нагреваются и обычно более стабильны, чем абсорбционные.Хорошие результаты дает комбинация интерференционных и абсорбционных светофильтров. Таким образом, спектр излучения ксеноновой лампы может быть откорректирован с помощью комбинации абсорбционных светофильтров для инфракрасной и ультрафиолетовой областей.Большая удаленность Солнца от Земли приводит к тому, что солнечные лучи падают на земную поверхность параллельно, в то время как искусственные источники излучения находятся на сравнительно близком расстоянии от поверхности испытуемого изделия и не обеспечивают аналогичного направления лучей. Вследствие этого для обеспечения равномерного распределения интенсивности излучения в плоскости измерения необходимо применение рефлектора в виде параболического вогнутого зеркала. При этом важное значение имеет конструкция используемой лампы. Так, при использовании ксеноновой лампы возможно образование теней от ее электродов и опор. Иногда для обеспечения равномерности облучения используют ксеноновую лампу с длинным разрядным промежутком, укрепленную в желобообразном параболическом рефлекторе (рис. 3).Источники излучения в камерах солнечной радиации рекомендуется размещать вне их рабочего объема, за специальным остеклением, с одной стороны, исключающим воздействие на изделие большого количества теплоты, выделяемой лампами, и загрязнение испытуемых изделий озоном, образующимся в результате ультрафиолетового (УФ) излучения ксеноновых, дуговых и других ламп, а с другой стороны, уменьшающим воздействие повышенной влажности в испытательной камере на оптические элементы. Попадание озона и других газов в рабочий объем камеры может оказывать значительное влияние на процессы деградации некоторых материалов.
Методы испытаний на воздействие солнечного излучения. Испытания на воздействие солнечного излучения проводят для определения его влияния на тепловые, механические, химические, электрохимические и другие явления, происходящие в испытуемых изделиях.В нормативной документации на изделие необходимо указывать способы установки его в камеру (на опорных стойках либо на основании, обладающем определенной теплопроводностью), обеспечивающие необходимое положение относительно направления излучения. Действие солнечного облучения на испытуемое изделие существенно зависит от состояния его поверхности, определяющего характер поглощения, поэтому необходимо, чтобы оно отвечало требованиям испытаний, например отсутствию загрязнений поверхности (масляных пленок, ПЫЛИ И Т. Д.).После стабилизации изделия в нормальных климатических условиях в течение заданного времени его тщательно осматривают и измеряют значения определенных параметров, стабильность которых зависит от воздействия солнечной радиации.Изделие устанавливают в камеру в положение, при котором наиболее уязвимые элементы его конструкции будут обращены к источникам излучения. При этом должна исключаться возможность экранирования излучения источника или отраженного излучения.В зависимости от цели испытаний находят применение три метода их проведения (рис. 4).Метод А (рис. 4, а) применяется, когда основной интерес представляют результаты теплового воздействия. Метод характеризуется 24-часовым циклом, состоящим из 8-часовой фазы облучения и 16-часовой темновой фазы. За указанный период времени обеспечивается получение изделием дозы облучения 8,96 кВт/м2, что приближается к наиболее жестким естественным условиям. Температура воздуха в камере должна повышаться за 2 ч до начала фазы облучения. Увеличение фазы облучения свыше 8 ч ускоряет воздействие радиации по сравнению с естественными условиями.
Продолжительность испытаний (число циклов) зависит от габаритных размеров и массы испытуемых изделий. В общем случае рекомендуются три цикла испытаний, однако при испытаниях крупногабаритных изделий требуется увеличить число циклов для достижения максимальной внутренней температуры и выявления процессов деградации.Метод В (рис. 4, б) применяется, когда основной интерес представляют процессы деградации. Метод характеризуется 24-часовым циклом, который состоит из 20-часовой фазы облучения и 4-часовой тем — новой фазы. При этом доза облучения составляет 22,4 кВт/м2 за цикл.Известно, что фотохимические процессы деградации материалов, красок, пластмасс зависят также от влажности окружающей среды, поэтому иногда в начале 20-часовой фазы облучения возможно одновременное воздействие влажного тепла (относительная влажность 93±3% при t = 40±2 °С).Метод С (рис. 4, в) применяется, когда необходимо оценить только фотохимический эффект, а циклические тепловые нагрузки не имеют значения. Метод характеризуется непрерывным 24-часовым облучением и считается упрощенным. При этом методе могут быть не выявлены процессы деградации, обусловленные циклическими тепловыми нагрузками.При реализации всех трех методов интегральная поверхностная плотность потока излучения должна быть равна 1,120 кВт/м2 + 10% (в том числе поверхностная плотность потока ультрафиолетовой части спектра 68 Вт/м2). Спектральное распределение должно соответствовать данным, указанным в табл. 6.5.Во время фазы облучения температуру воздуха в камере повышают приблизительно с постоянной скоростью и поддерживают на уровне 40 или 55 °С с точностью ±2 °С. При проведении испытаний с одновременным воздействием влажности необходимо указывать период, в течение которого она должна поддерживаться: а) во время фаз облучения; б) в период темновых фаз; в) в течение всей продолжительности испытаний.Продолжительность испытаний (число циклов) зависит от цели испытаний, ее рекомендуют выбирать из следующего ряда: 3, 5, 10, 56 циклов. Сокращать продолжительность испытаний за счет увеличения поверхностной плотности потока (интенсивности) излучения не рекомендуется.В нормативной документации на изделие следует указывать, должно ли оно функционировать в процессе испытаний и значения каких параметров необходимо измерять.В случаях, когда требуется проводить испытания солнечных батарей, систем слежения за Солнцем и других изделий, предназначенных для космических исследований, необходимо обеспечение точной коллимации лучей от излучателя (т. е. оптическая ось рефлектора должна составлять прямой угол с поверхностью изделия).