Сергей Гришин - Космическая технология и производство
Типичная схема технологического процесса производства какого-либо материала состоит в том, что к исходному сырью подводится энергия, обеспечивающая прохождение тех или иных фазовых превращений или химических реакций, которые и ведут к получению нужного продукта. Наиболее естественный источник энергии для обработки материалов в космосе — это Солнце. На околоземной орбите плотность энергии излучения Солнца составляет около 1,4 кВт/м2, причем 97 % этой величины приходится на диапазон длин волн от 3 · 103 до 2 · 104 Å. Однако непосредственное использование солнечной энергии для нагрева материалов связано с рядом трудностей. Во-первых, солнечную энергию нельзя использовать на затемненном участке траектории космического корабля. Во-вторых, требуется обеспечивать постоянную ориентацию приемников излучения на Солнце. А это, в свою очередь, усложняет работу системы ориентации космического аппарата и может повести к нежелательному увеличению ускорений, нарушающих состояние невесомости.
Что касается других условий, которые могут быть реализованы на борту космических аппаратов (низкие температуры, использование жесткой компоненты солнечной радиации и т. д.), то использование их в интересах космического производства в настоящее время не предусматривается.
Поведение вещества в невесомости
Агрегатные и фазовые состояния вещества. При рассмотрении особенностей поведения вещества в космических условиях часто используются такие понятия, как агрегатное и фазовое состояния, фаза и компоненты. Дадим определение этих понятий.
Агрегатные состояния вещества различаются по характеру теплового движения молекул или атомов. Обычно говорят о трех агрегатных состояниях — газообразном, твердом и жидком. В газах молекулы почти не связаны силами притяжения и движутся свободно, заполняя весь сосуд. Структура кристаллических твердых тел характеризуется высокой упорядоченностью — атомы расположены в узлах кристаллической решетки, возле которых они совершают лишь тепловые колебания. В результате кристаллические тела имеют строго ограниченную форму, а при попытке каким-то образом изменить ее возникают значительные упругие силы, противодействующие такому изменению.
Наряду с кристаллами известна и другая разновидность твердых тел — аморфные тела. Главная особенность внутреннего строения аморфных твердых тел — отсутствие полной упорядоченности: лишь в расположении соседних атомов соблюдается порядок, который сменяется хаотическим расположением их друг относительно друга на более значительных расстояниях. Наиболее важный пример аморфного состояния — это стекло.
Тем же самым свойством — ближнего порядка в расположении соседних атомов — обладает вещество в жидком агрегатном состоянии. По этой причине изменение объема жидкости не вызывает в ней возникновения значительных упругих сил, и в обычных условиях жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится.
Если вещество состоит из нескольких компонентов (химических элементов или соединений), то его свойства зависят от относительной концентрации этих компонентов, а также от температуры, давления и других параметров. Для характеристики конечного продукта, образующегося при таком комбинировании компонентов, используется понятие фазы. Если рассматриваемое вещество состоит из граничащих друг с другом однородных частей, физические или химические свойства которых различны, то такие части называются фазами. Например, смесь льда и воды представляет собой двухфазную систему, а вода, в которой растворен воздух, — однофазную, потому что в этом случае отсутствует граница раздела между компонентами.
Фазовое состояние — понятие, основанное на структурном представлении термина «фаза». Фазовое состояние вещества определяется только характером взаимного расположения атомов или молекул, а не их относительным движением. Наличие дальнего порядка (полная упорядоченность) соответствует кристаллическому фазовому состоянию, ближнего порядка — аморфному фазовому состоянию, полное отсутствие порядка — газообразному фазовому состоянию.
Фазовое состояние не обязательно совпадает с агрегатным. Например, аморфному фазовому состоянию соответствует обычное жидкое агрегатное состояние и твердое стеклообразное состояние. Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых — кристаллическое и аморфное (стеклообразное).
Рис. 2. Диаграмма р—Т равновесия однокомпонентной системы
Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или превращением. Если две или больше различных фаз вещества при данных температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, то говорят о фазовом равновесии. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма фазового равновесия однокомпонентной системы, построенная в координатах давление (р) — температура (T). Здесь изобара (т. е. прямая постоянного давления) а—а соответствует прямым переходам твердое тело — жидкость (плавление и затвердевание) и жидкость — газ (испарение и конденсация), изобара с—с — переходу твердое тело — газ (сублимация), а изобара в—в — сосуществованию всех трех фаз в так называемой тройной точке, при определенных значениях р и Т.
Влияние невесомости на жидкость. Как влияет тяготение на поведение вещества в различных агрегатных состояниях? В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, и сила тяготения не может оказать существенного влияния на процессы, происходящие в этом состоянии.
На процессы в газах эта сила может повлиять более значительно. Известно, например, что в условиях неравномерного нагревания различных слоев газа в атмосфере возникает под действием силы тяготения свободная конвекция, т. е. упорядоченный обмен газа между этими слоями. В условиях невесомости этот эффект может не возникнуть.
Но особенно сильное воздействие сила тяготения оказывает на жидкость. При переходе к невесомости в жидкости исчезает сила Архимеда, действующая на компоненты разной плотности и приводящая к их разделению, изменяется характер конвекционных течений, возрастает относительная роль межмолекулярных взаимодействий в жидкости и становится возможным ее свободное удержание вне сосуда (явление левитации). Рассмотрим по этим причинам подробнее процессы, происходящие в жидкости.
Как и в газе, в жидкости молекулы не сохраняют постоянного положения, а за счет тепловой энергии перемещаются с места на место. Если в каком-либо месте жидкости преобладают частицы одного сорта, то за счет более частых столкновений между собой они постепенно переходят в зону, где их концентрация меньше. Этот процесс называется диффузией. Вследствие диффузии за время t происходит смещение частиц на расстояние х = (2Dt)1/2, где D — коэффициент диффузии. Если рассматривать частицы как сферы с радиусом r, то D = W · (πηr)–1. Здесь W — тепловая энергия частиц, η — вязкость жидкости, которая сильно зависит от ее температуры. Когда жидкость охлаждается, то вязкость возрастает и соответственно замедляются процессы диффузии.
Если изменение концентрации частиц одного сорта на расстоянии Δx внутри жидкости равно Δс, то через единичную площадку в 1 с должно проходить число частиц I = — DΔc/Δx.
Жидкость может содержать несколько компонентов одновременно. Если содержание одного из компонентов мало, то такой компонент рассматривают как примесь. Если в начальный момент примесь распределена в жидкости неравномерно, то диффузионные процессы в жидкости ведут к установлению однородного распределения (гомогенизация).
В некоторых случаях жидкость может содержать компоненты разной плотности. На Земле под действием силы Архимеда постепенно происходит разделение этих компонентов (например, из молока образуются сливки и обрат). В невесомости этого разделения нет, и после затвердевания таких жидкостей могут быть получены вещества с уникальными свойствами. Жидкость может также содержать фазы, которые не смешиваются между собой, например, керосин и воду. На Земле между ними образуются четкие границы раздела. В невесомости путем перемешивания можно получить устойчивую смесь, состоящую из мелких капель той и другой фаз. После затвердевания из подобных смесей разных фаз можно получить однородные композиционные материалы, пенометаллы и т. п.
