«Техника-молодежи» 1987 г №10, с.9-13
НЕВЕСОМЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, или Как и чем вести монтаж в космосе | Юрий ЕВДОКИМОВ, |
Во время первого выхода на поверхность Луны американский астронавт Нил Армстронг отметил, что из-за вязкости лунный грунт сильно прилипал к подошвам — «как будто железные опилки к магниту». Его слова навели ряд ученых на мысль, что эти особенности процессов прилипания (адгезии) и склеивания составят в недалеком будущем основу «космической технологии» при изготовлении лунных модулей, создании обитаемых станций больших размеров и даже астролоселений.
Из всех видов соединений клеевое самое, пожалуй, «невесомое». Достаточно прослойки клея толщиной 20 — 30 микрон, чтобы обеспечить такую же прочность крепления узлов и деталей, как и при помощи куда более увесистых болтов, заклепок или сварки.
Ну а если учесть, что клеевые соединения одинаково стойки к действию как низких (криогенных), так и повышенных температур, а также к радиации и вакууму, что они позволяют прочно соединять сверхтонкие пленки полимеров и другие экзотические материалы, то станет ясно: для ремонтных, а впоследствии и монтажных работ в космосе клеи могут стать незаменимыми. Ряд японских фирм уже приступил к проектированию «лунных домов» (см. «ТМ» № 5 за этот год).
Поскольку основное требование к космическим постройкам — надежность проверяется только временем, подобные работы уже сегодня должны идти опережающими темпами. Вот тут-то и пригодятся испытания подобных сооружений на долговечность, стойкость в экстремальных условиях эксплуатации. А предварительные эксперименты найдут применение и на Земле: в районах Крайнего Севера, вечной мерзлоты.
Глубокий космический вакуум, большие температуры и повышенная радиация сослужат монтажникам добрую службу. Благодаря ей облегчится отверждение связующих, или, как говорят химики, «сшивка». Этому же будут способствовать и повышенные температуры. Ну, а вакуум необходим для создания давления при склеивании различных конструкций сложных форм, а также такого процесса, как диффузионная сварка, — то есть склеивание без клея. Отличие состоит лишь в том, что на Земле вакуум необходимо создавать искусственно, с большими затратами, а в космосе он дармовой, как, впрочем, и высокие температуры, и радиация. Так что нет худа без добра...
Каковы же основные особенности клеевых технологий в космосе? В невесомости затруднено смачивание клеем соединяемых поверхностей, так как силы поверхностного натяжения быстро заставят принять шаровую форму практически любую жидкость. Это и уменьшает площадь, на которой происходит склеивание, и, естественно, саму прочность соединения.
Процесс распыления клея на Земле и на Луне. Траекторию полета клеевых частиц определяют результирующие силы R1 и R2, зависящие от величины гравитации. Поскольку на Земле гравитация в шесть раз больше, чем на Луне, то и количество частиц, долетевших до поверхности контакта, уменьшается, то есть растут потери клея. Этому способствует также и сопротивление воздуха. | Схема адгезии для случая, когда частица несет заряд противоположного (по отношению к поверхности) знака. |
 | |
В распылителях применяют сопла с электретными насадками. | |
Выход, впрочем, есть. Оказывается, в космических условиях можно использовать клеи, характеризуемые низкими значениями поверхностного натяжения. И хотя на Земле технологи ревностно следят, чтобы этот важный параметр, благодаря которому достигается необходимая прочность склеивания, был, что называется, «на уровне», все же в космосе, невесомости, нагрузки на монтажные соединения резко уменьшаются. На Луне, в частности, ускорение свободного падения примерно в шесть раз меньше, чем на Земле, следовательно, во столько же раз снижается и вес изделий, а значит, и приходящиеся на них нагрузки. Поэтому и адгезионная прочность, даже вшестеро меньшая, обеспечит изделиям необходимую эксплуатационную прочность. Так земной «минус» обратился в космический «плюс»...
Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретным рекомендациям. Для ряда монтажных работ внутри космических объектов вполне приемлемы обычные липкие ленты (скотчи), они удобнее, чем жидкие клеи, да и давлений особых для склеивания не требуется: прижал, и все.
Ну а как создать клеевое прочное соединение в открытом космосе? Была высказана парадоксальная на первый взгляд идея: не следует бояться образования капелек клея на соединяемых поверхностях, а напротив, способствовать их появлению? Пусть только размеры капелек будут минимальны, как в аэрозолях! Кстати, клей в аэрозольных упаковках особенно удобен в космических условиях: его легко наносить на соединяемые поверхности, а главное — при истечении струи жидкости давление само прижмет капли, заставит их растечься. Желательно, чтобы клеи были быстро твердеющими, иначе в условиях невесомости шов получится пористым, ведь мы уже говорили, даже «размазанная» по плоскости жидкость в невесомости стремится стянуться в отдельные капли.
Впрочем, подобных нежелательных явлений можно избежать, оснастив аэрозольные баллоны соплами из электретных материалов (см. рисунок). Последние, как известно, будучи источниками постоянного электрического поля, сохранят неизменной поверхностную плотность зарядов в течение нескольких лет. В этом случае создаваемое соплом электростатическое поле электризует и тем самым фокусирует распыляемый аэрозоль, делая его факел более компактным. Заряженные капельки закрепляются на поверхности твердого тела, поскольку индуцируют в нем притягивающий заряд противоположного знака.
А если исхитриться и капельки связующего вещества зарядить разноименно? Под действием кулоновских сил они сольются, образуя на поверхности непрерывную пленку. Это, разумеется, еще более повысит прочность соединения.
Какие же клеи сегодня можно применять в космических монтажных работах? Уже прошли проверку эпоксидные, а также модифицированные, термостойкие клеи-герметики различных марок. Испытаны клеи на основе кремнийорганических каучуков, используемые для соединения стеклянных панелей с солнечными элементами, а также эпоксидно-фенольные, примененные для изготовления переходного отсека, соединявшего служебный отсек корабля «Аполлон» со стартовой ступенью лунного модуля, и некоторые другие.
Но это все примеры того, как земная технология склеивания проходит проверку космосом. Ну а с какими трудностями (а может быть, преимуществами?) придется столкнуться космическим монтажникам?
Клеи, как правило, представляют из себя системы, включающие целый ряд компонентов: связующие, катализаторы и отвердители; ускорители, ингибиторы и замедлители, а также различные модифицирующие добавки: наполнители, пигменты, красители, пластификаторы. Главное здесь — это связующее, его-то свойства и обуславливают прочность клеевого соединения. Значит: чтобы приготовить клей, как минимум необходимо связующее смешать с остальными компонентами. А как влияет невесомость на процесс смешивания?
Оказывается, положительно: в земных условиях гравитация способствует расслоению различных по составу жидкостей, и для хорошего их перемешивания приходится затрачивать немало энергии. Невесомость же обеспечивает равномерное смешивание всех компонентов клея. Впрочем, при перемешивании в клеи попадает воздух и образуются мелкие воздушные пузырьки, снижающие прочность клеевого шва. Однако дегазировать его помогает вакуум.
Какие еще клеи могут пригодиться в космосе? Интересны клеи-расплавы, представляющие собой твердые гранулы или таблетки, изготовленные из термопластичных полимеров с различными добавками. Работать с ними легко: при повышении температуры гранулы плавятся и затвердевают при комнатной температуре. Работать с ними можно в чисто космическом диапазоне температур: от -150°С до +200°С. Сейчас клеи-расплавы широко используются в мебельной и обувной промышленности, для склеивания металлов точечным способом, при производстве автомобильных кузовов и т. д. Будущим монтажникам астропоселений стоит приглядеться и к анаэробным клеям, способным отверждаться без доступа воздуха, которого в космосе просто нет. Такие клеи — это, как правило, однокомпонентные низковязкие жидкости или пасты, не содержащие растворителей (причем кислород для них является замедлителем реакции отверждения, ингибитором, как говорят химики), поэтому при длительном хранении сосуды с клеями обычно наполняют только до половины. Правда, интервалы рабочих температур у анаэробных клеев скромнее: от -55° до + 150°С. Но тут последнее слово за химиками — есть над чем поработать.
Всем известно, что на Луне деревья не растут. А можно ли первым колонистам обойтись без древесины — этого традиционного строительного материала?
Если доставить на Луну обычную бумагу и изготовить из нее конструкции по типу пчелиных сот, а затем пропитать их клеем, получится слоистая сотовая панель, прочная, как древесина, вдесятеро более легкая.
В заключение напомним и о других возможных путях соединения твердых тел, которые также могут пригодиться в космическом строительстве. Наиболее перспективно получение монолитного соединения диффузионной сваркой (см. «ТМ» № 6 за 1982 год). Соединение осуществляется довольно просто: свариваемые детали помещают в вакуумную камеру, нагревают токами высокой частоты, сжимают. При этом детали сближаются на такое расстояние, когда вступают в действие межатомные силы, а за счет взаимной диффузии атомов через поверхность стыка происходит диффузионная сварка. Сегодня этим способом соединяют более 630 пар материалов толщиной от микрометров до метров. (Отметим, что автором диффузионной сварки является советский ученый, лауреат Ленинской премии профессор Н. Ф. Казаков, впервые рассказавший о своем изобретении на страницах «ТМ» еще в 1954 году! Последующие его работы в этой области обеспечили СССР мировой приоритет, защищенный многими зарубежными патентами.)
Надеемся, что эти заметки, ни в коей мере не претендующие на полный охват всех адгезионных явлений, происходящих в космических условиях, разбудят интерес читателя к проблемам использования клеев в космосе. А если у кого-то появится желание подробнее ознакомиться с процессами склеивания и соединения самых разнообразных материалов, то рекомендуем почитать:
Дерягин Б. Б., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. М., Наука, 1973; Ковачич Л. Склеивание металлов и пластмасс (перевод со словацкого). Под редакцией А. С. Фрейдина, М., Химия, 1985.
Телеэкран размером с одну из стен в квартире, видеомагнитофон, по качеству намного превосходящий ныне существующие, «интеллектуальные» роботы, современные ЭВМ — в создании этих и многих других изделий уже в недалеком будущем космос станет помогать земной электронике. Сборочные линии, понятно, останутся земными, но самые сложные элементы вышеупомянутых изделий — безупречные по структуре полупроводниковые кристаллы — станут поступать из цехов, действующих на околоземных орбитах.
Многие специалисты, связанные с электронной промышленностью, полагают, что именно эта отрасль народного хозяйства первой в космосе выйдет на производственный уровень.
— Экспериментировать с полупроводниками, — рассказывает кандидат технических наук Евгений Марков, — мы начали с 1975 года. Исследовательские работы шли по нарастающей. Особенно убедительные результаты были получены в последние годы на орбитальных станциях «Салют-6 и-7».
Серии плавок, проведенных в бортовых печах «Кристалл», «Магма», «Корунд», показали, что в невесомости, как и предсказывала теория, действительно можно изготавливать весьма совершенные кристаллы. При плавке исходных материалов в земных условиях тепловые потоки в расплаве вызывают завихрения. Компоненты распределяются неравномерно, возникают другие дефекты. В результате из крупной отливки приходится вырезать лишь отдельные части, где материал имеет сравнительно однородную структуру. Эти вырезанные шайбы распиливаются на пластины, а из них уже изготавливаются электронные компоненты. Отходы материалов, весьма дорогостоящих, при такой технологии очень большие, скажем, из полупроводниковой отливки вырезается лишь 10-15% материала в виде шайб, пригодных для дальнейшей обработки. В отливках, получаемых в невесомости, отходов значительно меньше, выход годных кристаллов увеличивается многократно.
Строго говоря, особо высококачественные кристаллы нужны лишь для наиболее ответственных узлов электронной техники. Ежегодная потребность в такого рода полупроводниковых материалах оценивается всего в десятки килограммов. Тем не менее для получения даже этого небольшого количества материалов перерабатывается много исходного ценного сырья, загружаются большие производственные мощности. Перенос производства кристаллов в космос удешевляет их производство. Обычные методы повышения качества практически исчерпаны, поскольку применяемая сейчас технология уже предельно сложна. По расчетам специалистов, соотношение экономической эффективности земной и космической -Технологий может составить один к пяти.
На установке «Корунд», как уже отмечалось, в свое время были получены серии полупроводниковых кристаллов. Часть из них использовалась в исследовательских целях, другая пошла на конкретные изделия, в частности, применялась при изготовлении лазерного проекционного телевизора, различных фотоприемников. С того времени печь была доработана. На «Мире» стоит ее модернизированный вариант «Корунд — 1М». С этой печью, действующей в автоматическом режиме, работали космонавты Юрий Романенко и Александр Лавейкин, выполнившие большую исследовательскую программу, включающую несколько десятков экспериментов. Печь, потребляющая до киловатта электроэнергии (диапазон рабочих температур от 200 до 1200°), дает возможность выплавлять слитки диаметром 25 мм и длиной до 10 см. Процессами плавки управляет небольшая ЭВМ. Программируется не только режим нагрева, но и охлаждения выплавленных образцов. Ресурс работы печи 5 тыс. часов.
По сути, «Корунд» можно считать прообразом того технологического оборудования, которое будет использоваться на производственных модулях. Справедливости ради надо отметить, что не все проблемы у технологов уже решены. Одна из них энергетическая. Для крупносерийного производства полупроводников требуются довольно большие генераторы электрической мощности, десятки киловатт. По земным меркам это пустяк, но в космосе, чтобы стабильно иметь подобные мощности, надо сооружать большие солнечные панели, своего рода энергетические поля, или располагать какими-то другими мощными генераторами электроэнергии. Есть и некоторые другие мало исследованные пока аспекты космической технологии. Так, изучалось влияние магнитных полей на качество получаемых материалов. Здесь у исследователей еще много вопросов. Подобные исследования пока лишь первые страницы новой большой главы в космическом материаловедении.
За рамками данной статьи остались космическая связь и метеорология (подробнее см. «ТМ» № 7 за 1984 г.), навигация и природоведение — обширнейшие сферы хозяйственной деятельности человека, где космическая техника революционизировала многие процессы получения, переработки и передачи информации, приносит значительный экономический эффект. В зарубежной печати встречаются расчеты, доказывающие, что все государства, вкладывающие средства «в космос», уже получили прибыль от 70 до 150 млрд. долларов, отдельной строкой приводятся доходы от изучения природных ресурсов — 20-50 млрд. долларов. По некоторым оценкам, лишь коммерческая часть космической деятельности к концу века будет представлять собой бизнес на сумму 52 млрд. долларов в год. Все больше государств отдает себе отчет в том, что даже «чисто» научные проекты, такие, как запуск аппаратов к кометам и дальним планетам, оборачиваются разработкой технологий, приносящих немалый экономический эффект.
Нет недостатка и в прогнозах, суть которых сводится в основном к тому, что уже до 2000 года в космической деятельности государств произойдут дальнейшие громадные изменения. Называются по крайней мере «два кита», на которых зиждутся такие прогнозы: прогресс в развитии ракет-носителей и орбитальных комплексов. Длительное время лишь две державы, СССР и США, располагали собственными носителями. Ныне на рынок транспортных космических услуг вышли или выходят Европейское космическое агентство, КНР, Япония. Разработав сверхмощную ракету «Энергия», Советский Союз обеспечил себе значительный запас прочности на будущее. Ракета-универсал, способная поднимать на орбиты свыше ста тонн полезной нагрузки, без сомнения, сыграет заметную роль в грядущем большом космическом строительстве. На Западе это называют развитием орбитальных инфраструктур.
Более пятнадцати лет Советский Союз шаг за шагом решал сложнейшие задачи, связанные с созданием постоянно действующих орбитальных комплексов. Успехи «Салютов» и ныне действующего «Мира» стали самым наглядным аргументом в оценке эффективности именно этого средства освоения шестого океана — космоса.
Одно из важнейших достоинств советской космической программы — сбалансированность всех составляющих элементов: пилотируемых аппаратов, спутников и межпланетных станций. Для русских цель ясна, писал недавно французский еженедельник «Революсьон», — превратить космос в освоение новой «целины», поставить на службу экономического, технологического и научного развития. Для американцев, подчеркивает журнал, цель представляется не такой простой. Сохранить лидерство в капиталистическом, мире и создать основы будущей экономической деятельности — таковы цели, объявленные НАСА. Но в конкуренцию вступают СОИ...
«Звездные войны». Совершенно очевидно, что подобные программы способны поглотить любой другой космос, будь то коммерческий или научный. Но хочется верить, что в США возьмут верх здравые тенденции и завтрашний космос удастся уберечь от оружия. Что же касается перспектив мирного освоения, то они поистине безграничны.
В перспективе с развитием информационных систем на основе спутников-платформ, оснащенных крупногабаритными антеннами и мощными передатчиками, круг решаемых космической техникой задач, как считают специалисты, значительно расширится. Полагают, что эффективными окажутся, например, дистанционные средства контроля состояния линий электропередачи, нефте — и газопроводов, найдет широкое распространение «электронная почта», включающая пересылку через космос не только писем, книг, газет, но и документов, чертежей, справочного материала. Уже сделаны первые шаги к разработке космических средств регулирования воздушного и автомобильного движения, созданию систем индивидуальной радиосвязи и навигации.
Как полагают, «Мир» к 1990 году будет действовать уже в полном объеме. В принципе к станции может быть пристыковано до пяти модулей, а также транспортные пилотируемые и автоматические корабли. Масса комплекса в этом случае достигает 150 т, на борту смогут одновременно жить и работать до 6 космонавтов. Американская печать отмечает, что США будут иметь нечто аналогичное «Миру» лишь примерно через десять лет. Понятно, что советская станция открывает широчайшие возможности и для научного, и для народнохозяйственного космоса, в частности, предусмотрено использование в составе орбитального комплекса и специализированных технологических модулей. Такова перспектива.
Совершенно очевидно, что развиваться должны не только сами станции, но и остальные элементы орбитальной инфраструктуры. Что имеется в виду? Скажем, тот же технологический модуль совсем необязательно должен работать постоянно в составе орбитального комплекса. Как раз напротив, после отладки бортового оборудования, загрузки модуля исходным сырьем желателен автономный полет аппарата. В этом случае перемещения космонавтов не создают дополнительных толчков, влияющих на качество выплавляемых кристаллов. Эксплуатация орбитального автоматического завода требует лишь отдельных посещений его людьми: для съема готовой продукции, повторной загрузки сырьем, ремонта и профилактики оборудования. Однако подобный режим возможен лишь при наличии межорбитальных средств передвижения — космических такси, а также отработанных методов монтажа, скажем, крупногабаритных солнечных панелей, многих других операций: сварки, резки, пайки металлов, напыления покрытий. Именно этим видам работ экипажи советских орбитальных станций уделяют в последние годы очень большое внимание. Особенно важен опыт работ в открытом космосе. Его пока еще маловато. Если советские космонавты и их зарубежные коллеги, работавшие на советских кораблях и орбитальных станциях, набрали суммарно уже более 12 лет космического налета, то время, проведенное людьми в открытом космосе, измеряется в общем зачете пока лишь десятками часов.
С ростом объема сборочных работ в космосе будет повышаться и уровень их автоматизации. На помощь космическим монтажникам придут дистанционно управляемые роботы-манипуляторы, автоматические установщики ферм, другая техника. Но как бы там ни было, обживать космос будут люди.