Сергей Гришин - Космическая технология и производство
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.
Исследование физических основ космического производства
Процессы тепло- и массопереноса. Выяснение особенностей процессов переноса тепла и массы в условиях, близких к невесомости, необходимо для оптимальной организации производства в космосе новых материалов. С целью изучения этих особенностей проводятся как теоретические, так: и экспериментальные исследования.
Один из таких экспериментов был выполнен на космической станции «Салют-5» космонавтами В. В. Горбатко и Ю. Н. Глазковым в феврале 1977 г. Целью этого эксперимента было исследование процесса взаимодиффузии расплавленных веществ в условиях, близких к невесомости.
Эти исследования на станции «Салют-5» проводились с помощью специального прибора «Диффузия» — Прибор представлял собой цилиндрическую электронагревную печь, содержащую внутри две кварцевые ампулы, каждая из которых была частично заполнена дибензилом, а частично — толаном. Эти органические вещества обладают различной плотностью и при комнатной температуре находятся в кристаллическом состоянии. Ампулы в цилиндрической электронагревной печи располагались таким образом, что небольшая массовая сила, возникавшая из-за аэродинамического торможения станции, была направлена вдоль их оси.
После включения прибора оба вещества расплавились, и в течение трех суток продолжался процесс их взаимодиффузии через границу раздела расплавов. Температура по длине ампул поддерживалась постоянной. После отключения прибора происходило охлаждение и затвердевание сплава, структура которого имела поликристаллический характер.
Для сравнения результатов космического эксперимента с теорией с помощью ЭВМ был выполнен расчет процесса переноса массы для условий, соответствующих эксперименту с прибором «Диффузия». Расчет показал, что поскольку температура по длине ампулы оставалась постоянной в ходе эксперимента, тепловая конвекция должна отсутствовать, а возникающая на границе раздела жидкостей концентрационная конвекция[3] оказывала заметное влияние на перенос массы лишь на начальном этапе эксперимента. Иными словами, согласно проведенным расчетам, основной вклад в перенос массы в исследованных условиях должны были дать чисто диффузионные процессы.
После проведения эксперимента и возвращения космонавтов на Землю доставленные из космоса ампулы были тщательно изучены в лаборатории. Исследования распределения вещества по длине ампулы позволили определить значение коэффициента диффузии. Для сравнения на Земле были выполнены контрольные опыты с такими же ампулами. Оказалось, что величина коэффициента диффузии, определенная в космических условиях для сплава дибензила с толаном, близка к теоретическому знанию (около 9,5 · 10–6 см/с2) и несколько превосходит величину, полученную в контрольных опытах на Земле, но это расхождение находится в пределах ошибки метода. Следует отметить также, что на Земле отсутствует возможность точно воспроизвести характер тех микроускорений, которые воздействовали на расплав в космосе.
Близкий по замыслу эксперимент также был поставлен на космической станции «Скайлэб». В отличие от исследований, выполненных на станции «Салют-5», американские ученые изучали не взаимную диффузию двух различных веществ, а более простой случай — процесс самодиффузии. С этой целью в цинковый цилиндрический стержень вставлялся диск, изготовленный из радиоактивного изотопа цинка Zn65. При нагреве стержень плавился, вдоль него устанавливался перепад температуры, в результате чего начинался процесс диффузии радиоактивного изотопа в основной материал (самодиффузия). В предположении, что в космических условиях влиянием конвекции на перенос массы можно пренебречь и основную роль там играет процесс диффузии, был выполнен расчет распределения радиоактивного изотопа по длине стержня. Результаты расчета хорошо совпали с данными космического эксперимента (рис. 7). В контрольных экспериментах, проведенных с аналогичными образцами на Земле, эффективный коэффициент диффузии радиоактивного цинка вследствие конвекции оказался в 50 раз выше, чем для космических условий.
Рис. 7. Распределение радиоактивного цинка вдоль образца (о и Δ — эксперименты на Земле для двух положений образца, сплошная линия — расчет и эксперименты в космосе)
Этот эксперимент, как и эксперимент с прибором «Диффузия», показал, что для исследованных условий влиянием конвекции на перенос массы в расплаве можно пренебречь и что основную роль играет процесс диффузионного переноса. Этот вывод подтверждает возможность получения в космосе кристаллических материалов с однородной структурой, которую в земных условиях нарушают, в частности, конвекционные течения. Однако практически реализовать эту возможность и обеспечить получение в космосе материалов с более однородным распределением примесей удается не всегда.
Рассмотрим в качестве примера эксперимент «Универсальная печь», поставленный при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». В ходе этого эксперимента исследовалась возможность получения однородных монокристаллов германия, содержащих примеси кремния (0,5 % по массе) и сурьмы (сотые доли процента). Цилиндрический образец нагревался до температуры плавления, за исключением холодного конца, который предполагалось использовать в качестве «затравки» при кристаллизации. Образец выдерживался при максимальной температуре в течение 1 ч, после чего 5 ч охлаждался со скоростью 0,6 град/мин, а затем происходило неконтролируемое охлаждение печи до полного остывания (рис. 8).
Рис. 8. Патрон для эксперимента «Универсальная печь» (1 — графитовый нагревательный блок; 2 — графитовый тепловой вкладыш; 3 — оболочка из нержавеющей стали; 4 — изоляция; 5 — запорный механизм; 6 — блок отвода тепла; 7 — медный тепловой вкладыш)
Анализ доставленных на Землю образцов показал, что, вопреки ожиданиям, после переплава и затвердевания в условиях, близких к невесомости, распределение примесей в поперечном сечении образца стало менее однородным. При этом более легкая примесь (кремний) сместилась в одном направлении по диаметру образца, а более тяжелая (сурьма) — в противоположном. Такое перераспределение примесей в образце, возможно, связано с тем, что именно по диаметру ампулы действовали во время эксперимента малые ускорения, обусловленные работой двигателей системы ориентации и стабилизации корабля. Однако конкретный механизм процессов, приведших к ухудшению однородности распределения примеси в этом эксперименте, в настоящее время однозначно не установлен.
