Воздействие солнечной радиации

На открытом воздухе поверхности изделий подвергаются действию прямых солнечных лучей. В материалах, используемых в конструкциях систем, под действием солнечной радиации возникают сложные процессы, вызывающие старение этих материалов. Кроме того, солнечная радиация является основным фактором формирования теплового режима атмосферы и поверхности земли. Поэтому влияние на свойства материалов высоких и низких температур воздуха определяется, в конечном счете, влиянием солнечной радиации на тепловой режим воздуха.

Приход солнечной радиации определяется, прежде всего, астрономическими факторами: продолжительностью дня и высотой солнца. Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основных климатических факторов. В свою очередь, она в значительной степени зависит от циркуляции атмосферы и особенностей подстилающей поверхности.

Воздействие солнечной радиации на технические изделия определяется диапазоном электромагнитных волн, достигающих их поверхности.

Спектр излучаемой Солнцем энергии состоит из нескольких частей. На волны ультрафиолетовой части спектра (l<3900×10^{-10 м) приходится около 9% энергии солнечного излучения, на волны видимой части спектра (}l=3900×10^-10 ... 7600×10^{-10 м) - около 41% и на инфракрасные волны (}l=7600×10^-10 ... 1000000×10^{-10 м) - около 50%.}

Атмосфера, окружающая Землю, поглощает около 19% солнечной энергии (водяным паром, озоном, углекислым газом, пылью и другими составляющими атмосферы). Около 35% энергии поглощается в космическом пространстве. Земной поверхности достигает только 45% солнечной энергии, но наличие облаков уменьшает количество солнечной энергии, достигающей Земли, примерно на 75% по сравнению с ясными днями.

Поверхностная плотность теплового потока суммарной радиации зависит от состояния облачности. Зависимо от высоты солнца (6-44,9°) в летние месяцы поток суммарной радиации изменяется в безоблачную погоду от 11,2×10^-3 до 78,4×10^-3 Вт×см^-2, при наличии солнца и облаков в 9,8×10^-3 до 80,5×10^-3 Вт×см^-2, при сплошной облачности от 4,2×10^-3 до 25,9×10^-3 Вт×см^-2.

Поток суммарной радиации также зависит и от самих облаков, если солнце просвечивает через перистые облака, то поток суммарной радиации будет изменяться от 4,9×10^-3 до 64,4×10^-3 Вт×см^-2, если же облака слоистые - от 3,5×10^-3 до 38,5×10^-3 Вт×см^-2. Влияние на величину суммарной радиации оказывает также высота облаков, если облака высокие, поток изменяется от 5,6×10^-3 до 49,7×10^-3 Вт×см^-2, если низкие - от 6,3×10^-3 до 27,3×10^-3 Вт×см^-2.

Интегральная плотность теплового потока солнечной радиации зависит от высоты. До 15 км интегральная плотность теплового потока составляет 1125 Вт/м², в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра (l=280-400 мкм) - 42 Вт/м², свыше 15 км - 1380 Вт/м², плотность потока ультрафиолетовой части спектра - 10,0 Вт/м².

Изменение плотности теплового потока солнечной радиации оценивается отношением ее максимального значения к минимальному, выраженному в %. Наименьшие суточные изменения наблюдаются в пустынных районах, для которых характерна безоблачность.

Наличие паров воды и пыли в воздухе существенно уменьшает плотность теплового потока солнечной радиации. Наиболее сильное действие на материалы и изделия оказывают солнечные лучи, перпендикулярно падающие на поверхность.

Повреждения от солнечных лучей можно разделить на две группы: фотохимические и фотоокислительные процессы.

При повреждении металлических поверхностей существенную роль играет фотоокислительное расщепление. Одновременное воздействие кислорода и влаги создает посредством окислительных процессов дополнительные количества энергии. Поверхность металлов при ультрафиолетовом облучении активируется, поэтому подвергается опасности коррозии. Для расщепления молекулярной структуры необходима определенная частота излучения, т.к. энергия фотона соответствует произведению постоянной Планка на частоту.

Под действием солнечных лучей в органических материалах происходят сложные фотолитические процессы - процессы разложения химических соединений, в результате чего меняются свойства материалов.

Солнечная радиация (особенно ее ультрафиолетовая часть) достаточна для разрушения многих, даже очень сильных, связей в молекулах полимеров, отчего происходит старение и возникают определенные отказы. Процесс старения полимерных материалов ускоряют тепло, влага, кислород воздуха (атмосферное старение), излучения высоких энергий и др. В свою очередь, скорость старения под действием солнечной радиации зависит от ее интенсивности, доли ультрафиолетового излучения в солнечном спектре и лучепоглощающей способности полимеров. Установлено, что разрыв молекулярных связей и процессы старения большинства полимеров происходят при интенсивности радиации, превышающей 16,8 кДж/(м²×мин). Известно, что в основе старения полимерных материалов лежат два одновременно протекающих процесса: деструкция - разрыв связей между атомами молекул и образование осколков молекул полимера, и структурирование - образование новых связей между атомами и осколками молекул, возникших в результате деструкции. В результате старения полимерных материалов изменяются их механические и электрические свойства, цвет и др.

Основное действие солнечного излучения - нагрев поверхности изделий и, как следствие, повышение температуры внутри устройства. Нагрев тела солнечными лучами зависит от интенсивности солнечной радиации, температуры окружающей среды и от отражательной способности тела. Будучи нагретым, тело само становится источником излучения. Закономерность теплообмена поверхностей удобно проследить на теплообмене тонкостенного металлического кожуха. Для случая матового черного кожуха, внутри которого нет источника, излучение энергии можно представить схемой на рис.3.4.1

Рис. 3.4.1 Схема для определения баланса излучения стенок кожуха

Толщина стенок кожуха мала, поэтому можно допустить, что температуры наружных и внутренних поверхностей стенок кожуха одинаковы. Пользуясь уравнением Стефана-Больцмана, составляем баланс излучения стенок кожуха.

Верхняя крышка кожуха, поглощающая тепло солнечных лучей, излучает его наружу и внутрь кожуха (d ). Нижняя стенка кожуха (дно) поглощает тепло, излучаемое верхней крышкой, и излучает его внутрь кожуха и наружу (d ). При расположении кожуха на почве нижняя стенка отдает тепло почве и может получать тепло от нее (d ).

При температурном равновесии системы справедливы следующие математические зависимости:

dТ_В⁴= d/2 (Т_D⁴- Т_В⁴);

dТ_D⁴= 1/2(1,6+dТ_В⁴),

где Т_В- температура крышки кожуха, К;

Т_D- температура дна кожуха, К;

Т_S- температура почвы, К;

d - постоянная излучения.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЛАЖНОСТИ

При анализе воздействия внешних факторов окружающей среды на конструкционные материалы важны данные об относительной влажности воздуха.

Характер неблагоприятного влияния влажности воздуха на материал зависит от процентного содержания влаги в воздухе. При большом содержании влаги в воздухе (более 90%) она снижает служебные свойства материалов, проникая внутрь этих материалов или образуя на их поверхности пленки жидкости. При малом содержании влаги в воздухе (ниже 50%), влага, содержащаяся в материалах, испаряется в воздух, что также изменяет свойства материалов: они становятся хрупкими, в них появляются трещины.

При оценке показателей надежности технических изделий необходимы данные об изменении относительной влажности воздуха во времени. Характер изменения относительной влажности описывается случайным процессом с математическим ожиданием

где С₀ - коэффициент, численно равный математическому ожиданию средней годовой относительной влажности, %;

С_j, D_j - амплитуды колебаний математического ожидания влажности, соответствующие частоте w_j.

Наиболее активно влагу из воздуха поглощают гигроскопические материалы, например изоляционные, изготовленные на основе хлопка и бумаги. Внутрь материала влага может проникать при поглощении ее материалом (капиллярная конденсация) или проникновения в структуру полимера (в межмолекулярные промежутки), а также через трещины и крупные поры в материале.

Насыщение влагой таких материалов, как резина и некоторых других, происходит путем осмоса.

Скорость проникания влаги в материалы увеличивается при повышении температуры окружающего воздуха. Влага, поглощенная материалом или проникшая в него другими путями, резко снижает его объемное сопротивление (рис. 3.5.1). Зависимость удельной электропроводимости диэлектриков от их влажности определяется:

^{æ (z-z 0)},

где s_эо - удельная электропроводимость при t = 0°С;

z - абсолютная влажность материала;

æ - коэффициент, зависящий от материала.

Рис. 3.5.1. Изменение удельного объемного сопротивления гетинакса в зависимости от длительности увлажнения при относительной влажности воздуха 70-98% и температуре 35°С

Оседая на поверхности материала, влага образует тонкую пленку, в результате поверхностное сопротивление материалов снижается на несколько порядков (рис. 3.5.2). Наибольшее снижение поверхностного сопротивления изоляторов происходит при загрязнении пленки продуктами газов и пыли.

Рис. 3.5.2. Зависимость поверхностного сопротивления R изоляции керамической детали от влажности воздуха

При осаждении влаги на металлические поверхности создаются благоприятные условия для атмосферной коррозии металлов. Этот вид коррозии является наиболее распространенным, и на его долю приходится около половины общих потерь металла от коррозии.

Увлажнение материалов повышает скорость протекания коррозионных процессов:

где y - толщина окисной пленки;

С_n^p - концентрация реагента (кислорода, влаги, агрессивной среды);

k_p - коэффициент, характеризующий скорость протекания коррозии;

Е_k - энергия активации коррозионного процесса.

Зависимость времени наступления предельного состояния материалов от воздействия внешних условий и качества примененных материалов можно представить в виде

t = 1/k₀(r×C₀, C_кр, æ², r)exp{-E / RT},

где k₀ - постоянный коэффициент,

(rC₀, C_кр, æ², r) - функция, зависящая от внутренних параметров материала.

При повышении влажности воздуха, плотности тумана и оседании росы увеличивается толщина пленки влаги на поверхности металла, которая определяет виды атмосферной коррозии (рис. 3.5.3). Сухая коррозия (участок I) происходит при отсутствии пленки влаги на поверхности металла вследствие окисления поверхностного микрослоя металла кислородом воздуха, что и определяет малую скорость этого вида коррозии. При влажной коррозии (участок II) скорость коррозии резко повышается с увеличением толщины пленки влаги, образующейся на поверхности вследствие конденсации. Эта конденсация может быть капиллярной, адсорбционной или ионной. При мокрой коррозии (участок III) толщина пленки влаги наибольшая (при 100% влажности воздуха). Снижение скорости коррозии в этом случае объясняется затруднительностью диффузии кислорода воздуха через толстую пленку влаги. Участок IV отвечает случаю погружения металла в жидкость.

Рис. 3.5.3. Зависимость скорости v атмосферной коррозии от толщины  пленки влаги на поверхности металла

Кроме того, влага может вызывать изменение физических свойств материалов - их плотности, температуры плавления, снижать грибостойкость материалов.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ДАВЛЕНИЯ

На конструкционные материалы немаловажное значение оказывает атмосферное давление.

Атмосферное (барометрическое) давление значительно меняется с изменением высоты местности над уровнем моря.

Изделия наземной техники должны сохранять надежность и заданные эксплуатационные характеристики в пределах изменения атмосферного давления от 505 до 1080 гПа. Верхний предел соответствует давлению, наблюдаемому на уровне моря, нижний - давлению, рассчитанному для максимальной высоты (4,6 км), на которой возможны эксплуатация, хранение, перевозка изделий.

Наибольшее влияние атмосферное давление оказывает на конструкционные материалы систем, используемых при работе в высокогорных условиях. С ростом высоты снижается электрическая прочность воздуха. При значительном уменьшении атмосферного давления воздуха уменьшается напряжение пробоя воздушного промежутка между проводниками. Вероятность пробоя увеличивается на 30% при снижении давления с 1013 до 709 гПа (с 1 до 0,7 атм.), что отвечает подъему на высоту около 3000 м над уровнем моря. Пониженное давление также влияет на полупроводники, вызывая ухудшение теплоотдачи и уменьшение пробивного напряжения.