Космические аппараты и специальное оборудование для космического производства

Оборудование для космических экспериментов. Говоря о проблеме производства в космосе новых материалов, обычно имеют в виду пять направлений исследований и разработок:

1. Космическая металлургия.

2. Полупроводниковые материалы.

3. Стекло и керамика.

4. Медико-биологические препараты.

5. Исследование физических эффектов в условиях невесомости.

Первые четыре направления непосредственно нацелены на получение новых или улучшенных материалов и изделий на борту космических аппаратов (КА). Задача пятого направления состоит в развитии науки о поведении вещества в космических условиях с целью создания теоретических основ космического производства.

Проведение исследований во всех этих направлениях требует разработки специальных бортовых установок. Поэтому перед тем как перейти к разбору конкретных направлений, целесообразно рассмотреть, как обстоит дело с созданием специального оборудования для космических экспериментов. При этом мы ограничимся в данном разделе рассмотрением наиболее универсальных типов установок, которые могут быть использованы для решения ряда различных задач. Про те экспериментальные установки, которые имеют более узкое назначение или предназначены для выполнения конкретных исследований, удобнее рассказать, обсуждая сами эти исследования.

Для всех практических направлений, за исключением получения биологических препаратов, основная схема производственного процесса состоит в следующем. Исходный материал (сырье) подвергается на борту КА тепловой обработке, плавится или испаряется. Затем он затвердевает. Поскольку этот процесс происходит в условиях невесомости, то в соответствии с анализом, выполненным в предыдущей главе, можно ожидать улучшения характеристик конечного продукта. По этим причинам основной вариант технологического оборудования для обработки неорганических материалов — это нагревательные установки различных типов.

Для нагрева исходного материала можно использовать тепло экзотермических реакций[2]. Типичный нагреватель такого типа состоит из цилиндрического патрона, заполненного смесью химических веществ, и ампулы с исследуемым материалом, которая размещается по оси патрона. Для инициирования химической реакции обычно используется маломощный электрический импульс. Преимущество подобных установок состоит в том, что в них за сравнительно малые времена (секунды или десятки секунд) могут быть получены достаточно высокие температуры. Поэтому такие нагревательные установки находят применение в первую очередь в тех случаях, когда продолжительность состояния невесомости ограничена.

Другая разновидность нагревательных устройств для обработки материалов — электронагревные печи. Известно несколько конструктивно различных вариантов таких печей. В рабочей зоне изотермической печи поддерживается температура 1200–2400 °C. Для снижения расхода электроэнергии эта зона окружена многофольговой изоляцией, изготовленной из специальных материалов.

Для выращивания кристаллов необходимо, чтобы в печи имелась зона с перепадом температуры. На рис. 3 представлена одна из возможных схем установок подобного типа. Через зону с перепадом температуры протягивается ампула, содержащая исследуемое вещество. В точке, где достигается температура плавления, сырье плавится, а когда расплавленный материал попадает в область более низких температур, он начинает кристаллизоваться. Существующие установки такого типа обеспечивают температуру 1050–1150 °C, в проектируемых установках предполагается поднять ее до 2000 °C.

Рис. 3. Схема выращивания монокристаллов из расплава (1 — расплав; 2 — затравочный кристалл; 3 — механизмы вытягивания и вращения; 4 — шток; 5 — тигель; 6 — индуктор для нагрева расплава)

Недостаток установок подобной изображенной на рис. 3 состоит в том, что со стенок ампулы (тигля) в расплав могут поступать примеси, загрязняющие получаемый материал и ухудшающие его качество. На рис. 4 показана схема электронагревной печи, в которой использован метод зонной плавки, позволяющий частично устранить этот недостаток. В этой установке вещество также подвергается переплаву в зоне с перепадом температуры, но при этом оно не контактирует непосредственно со стенками ампулы. Нагрев может осуществляться с помощью токов высокой частоты, источников инфракрасного излучения или дуговых источников света, снабженных фокусирующими зеркалами и т. д. В последнем случае ампула изготавливается из прозрачного материала, например из кварца. Метод зонной плавки позволяет также обеспечить получение более высоких температур. Расплавленное вещество не касается стенок тигля и удерживается силами поверхностного натяжения. Поэтому максимальные размеры зоны определяются из условия баланса действующих на расплав массовых сил и сил поверхностного натяжения. Массовые силы на борту КА, обусловленные малыми ускорениями, много меньше силы тяжести. Это означает, что размеры расплавленной зоны в космических условиях и соответственно размеры кристаллов, получаемых в таких установках, могут быть значительно больше, чем на Земле.

Рис. 4. Метод зонной плавки (1 — расплавленная зона; 2 — индуктор; 3 — стенка печи; 4 — ампула; 5 — стержень исследуемого вещества; 6 — механизм протягивания и вращения стержня)

На рис. 5 представлена схема выращивания кристаллов из паровой фазы. Ампула размещается в печи с перепадом температуры таким образом, чтобы исходный материал оказался в горячей зоне. Массоперенос осуществляется в паровой фазе, а на холодном конце ампулы происходит его конденсация с образованием кристаллов. Парофазные методы используются, например, для получения эпитаксиальных пленок, которые широко применяются в электротехнике.

Эпитаксия — это осаждение монокристаллических пленок на монокристаллической подложке. Эпитаксиальная пленка как бы повторяет структуру подложки и представляет собой нечто вроде двумерного кристалла. Ее совершенство определяется, в частности, процессами конвекции в паровой фазе. Конвекция ведет к неконтролируемым условиям на поверхности растущего слоя и в конечном счете к дефектам кристаллической решетки. В космосе можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и соответственно на повышение качества получаемых материалов.

Рис. 5. Схема выращивания кристаллов из паровой фазы

Ранее отмечалось, что в космических условиях возможно бесконтейнерное удержание жидкостей. Установки, в которых осуществляется этот процесс, называются левитаторами. Поскольку на борту КА действуют ускорения порядка 10^–5 — 10^–4 g₀, в левитаторах должны быть приняты меры по удержанию свободно плавающей жидкости в центре рабочей камеры. Для этой цели можно использовать ультразвуковые поля, аэродинамическое удержание или переменное электромагнитное поле. Последний метод пригоден лишь для проводящих материалов и не годится, например, для работы со стеклом. Нагрев материалов в левитаторе можно осуществить с помощью оптических нагревателей, токов высокой частоты, электронных пучков и т. д. Установки этого типа, очевидно, отличаются особой сложностью, но позволяют практически реализовать такое важное преимущество производства материалов в космосе, как их бесконтейнерная обработка. Левитаторы разных типов в настоящее время находятся в стадии разработки.

Эксперименты в области космической технологии. Впервые технологические космические эксперименты были осуществлены в 1969 г. в Советском Союзе. С этой целью в Институте электросварки им. Е. О. Патона была разработана специальная установка «Вулкан», предназначенная для изучения и отработки методов сварки и резки металлов на борту космических аппаратов. Установка «Вулкан» была размещена на борту космического корабля «Союз-6», и 16 октября 1969 г. экипаж корабля — летчики-космонавты СССР Г. С. Шонин и В. Н. Кубасов — успешно провели ее испытание.

В 1973–1974 гг. серия технологических экспериментов была осуществлена на американской космической станции «Скайлэб». Для проведения этих экспериментов в США была разработана специальная установка для обработки материалов. Эта установка включала в себя вакуумную камеру, электронную пушку для плавки образцов, электронагревную печь и другое оборудование. Разработанная для станции «Скайлэб» универсальная печь обеспечивала максимальную температуру 1050 °C и позволяла работать в различных температурных режимах (постоянная высокая температура, перепад температуры по длине ампулы, программированное охлаждение). Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались в печи космонавтами.

Следующим шагом на пути развертывания работ в области технологических экспериментов в космосе явилась совместная советско-американская программа «Союз» — «Аполлон» (ЭПАС). Во время полета этих кораблей в июле 1975 г. с помощью модифицированной электронагревной печи и установок для исследования методов получения чистых медико-биологических препаратов был осуществлен ряд новых технологических экспериментов.

Проведение технологических экспериментов было включено также в программу исследований на советской космической станции «Салют-5». С этой целью был разработан специальный комплект приборов — «Кристалл», «Диффузия», «Поток», «Сфера», «Реакция» (рис. 6), предназначенный для исследования широкого круга вопросов в области наук о веществе в космосе, а также для отработки методов пайки в космических условиях.

Технологические эксперименты с этими приборам были успешно выполнены в июле — августе 1976 г. летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым и В. М. Жолобовым и в феврале 1977 г. — В. В. Горбатко Ю. Н. Глазковым.

Наряду с исследованиями, проводившимися на борту пилотируемых космических станций и кораблей, как в Советском Союзе, так и в США технологические эксперименты осуществлялись в автоматическом режиме при запусках высотных ракет.

Отличительная черта этих экспериментов — сравнительно ограниченная продолжительность состояния невесомости (5–7 мин на американских ракетах, около 10 мин — на советских). Поэтому для проведения таких экспериментов в Советском Союзе разработаны установки, в которых для плавления образцов используется тепло экзотермических реакций.

На американских высотных ракетах применяется электронагревательная ампульная печь, которая не может обеспечить столь же быстрого разогрева заготовок и которую поэтому приходится включать заблаговременно, до старта ракеты.

Исследования на высотных ракетах позволяют выполнять космические эксперименты более оперативно и на более простом оборудовании, и поэтому их следует рассматривать как полезное дополнение к работам на космических станциях и кораблях.

Рис. 6. Приборы для проведения технологических экспериментов на станции «Салют-5» (а — прибор «Кристалл»; б — прибор «Реакция»)

Космические аппараты и технологические модули. Перспектива развития работ в области технологии обработки материалов в космосе состоит в том, что от экспериментальных исследований будет осуществлен постепенный переход к полупромышленному производству на борту КА некоторых материалов, а затем и к производству в промышленном масштабе. Согласно зарубежным оценкам, можно ожидать, что к 1990 г. грузопоток продукции космического производства, а также необходимого оборудования достигнет нескольких десятков тонн в год.

Создание в СССР долговременной орбитальной станции «Салют» и экономичной системы ее транспортного обеспечения с помощью пилотируемых кораблей «Союз» и автоматических кораблей «Прогресс» открывает новые большие возможности для проведения технологических экспериментов, отработки необходимого оборудования, а также анализа технологических процессов в условиях длительной невесомости.

Разработка и совершенствование орбитальных пилотируемых комплексов, предназначенных для решения задач научного и прикладного характера, как известно, является магистральным направлением развития отечественной космонавтики. Одна из основных задач связана при этом с развитием наук о поведении вещества в условиях невесомости и с обеспечением потребностей производства материалов в космосе.

В рамках этой программы в Советском Союзе был осуществлен самый длительный в истории космонавтики полет орбитального научно-исследовательского комплекса «Салют-6» — «Союз», продолжавшийся 96 суток и успешно завершенный 16 марта 1978 г. На борту этого комплекса летчики-космонавты СССР Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко, А. А. Губарев и летчик-космонавт ЧССР В. Ремек осуществили новые важные технологические эксперименты.

В дальнейшем, по мере возрастания грузопотоков, средства снабжения орбитальных научных комплексов будут совершенствоваться. Появятся новые грузовые корабли для доставки оборудования, приборов и заготовок из различных материалов на борт орбитальных комплексов. Изделия и материалы, полученные в космосе, будут доставляться в космос и возвращаться на Землю с помощью (многоразовых космических кораблей. В состав орбитальных комплексов будут входить специализированные технологические модули.

Некоторые технологические операции в космосе, например получение материалов сверхвысокой чистоты, требуют обеспечения глубокого вакуума. С этой целью в сочетании с ДОС можно использовать так называемый молекулярный экран, который с помощью специальной штанги размещается на расстоянии около 100 м от корабля. Диаметр экрана — 3 м.

Поскольку скорости теплового движения молекул остаточного газа меньше скорости поступательного движения корабля вместе с экраном по орбите (8 км/с), за экраном возникнет зона повышенного разрежения. Давление остаточного газа в этой зоне будет порядка 10^–13 — 10^–14 мм рт. ст.

Разработка транспортных космических кораблей, способных обеспечить экономически эффективные транспортные перевозки, создание долговременных орбитальных станций типа советских космических станций «Салют» открывают дорогу к сооружению в космосе действующих фабрик по производству истых материалов.

По мнению специалистов, подобные космические фабрики начнут действовать уже в 1990-х годах.

Примечания:

2

Экзотермическими называют такие химические реакции, которые идут с выделением тепла.