Наука и технологии 21 Октября 2019

Стучится в окно космический мусор

Ученые Томского политехнического университета планируют отправить на МКС для испытаний свои иллюминаторы со специальным покрытием, защищающим от ударного воздействия космического мусора
Стучится в окно космический мусор
Космонавт с макетом инструмента Плазмер (фото смонтировано для пояснения космического эксперимента)
ТПУ

Плотность потока космического мусора и метеороидов на орбите довольно высока, из-за этого космические аппараты и аппаратура подвержены серьезному риску. Способ защиты стекол иллюминаторов космических аппаратов против эрозионного воздействия высокоскоростных микрометеороидов и микрочастиц космического мусора ученые Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают с 2015 года в соавторстве с Институтом физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН и РКК «Энергия». Речь идет об оптически прозрачных нанокомпозитных покрытиях. Ученым удалось отработать технологический процесс вакуумного ионно-магнетронного нанесения защитного противометеороидного покрытия НКА-70к на стеклянные диски диаметром до 280 мм.

СТЕКЛО НАЧАЛЬСТВО.png
Профессор Виктор Сергеев (крайний слева) показывает образцы стекол иллюминаторов космических аппаратов и рассказывает о способе нанесения противометеороидных покрытий, справа-налево – ректор НИ ТПУ Чубик П.С., губернатор Томской области Жвачкин С.А., советник генерального директора Ракетно-космической корпорации «Энергия» Чернявский А.Г.

ТПУ

 

Иллюминаторы станут крепче

«В основе этого изобретения лежит изучение явления распространения ударных волн, возникающих при соударении высокоскоростных твердых тел (скорости более пяти-восьми километров в секунду), одно из которых представляет собой многослойную наноструктуру, состоящую из чередующихся разнородных материалов, чьи физико-механические свойства резко отличаются», — рассказал «Стимулу» научный руководитель темы, профессор отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ Виктор Сергеев.

magnifier.png «В последние годы мы научились синтезировать такие покрытия с помощью новых методов импульсного магнетронного распыления композиционных мишеней, совмещенных с ионной бомбардировкой»

По его словам, такая структура способна эффективно рассеивать энергию нормальных ударных волн, переводя их в поперечные, распространяющиеся вдоль интерфейсов многослойного покрытия, которое располагается вдоль поверхности стекла. В результате этого эффекта значительно уменьшается количества кратеров, которые могли бы образоваться на поверхности стекла при ударах высокоскоростных метеороидов и микроосколков космического мусора.

«С другой стороны, — отмечает ученый, — в последние годы мы научились синтезировать такие покрытия с помощью новых методов импульсного магнетронного распыления композиционных мишеней, совмещенных с ионной бомбардировкой. Это позволило создать многослойные покрытия с контролируемой наноструктурой, которая может эффективно противостоять ударному воздействию высокоскоростных микрочастиц».

Стекла предназначены для иллюминаторов перспективного космического корабля «Орел» (ранее ПТК «Федерация»), космических и лунных станций. Многоразовый пилотируемый космический корабль «Орел» должен прийти на смену кораблям серии «Союз» и автоматическим грузовым кораблям серии «Прогресс», в 2020 году планируется закончить изготовление летного образца.

ОБРАЗЦЫ.png
Микрофото кратеров на исходном стекле (1) и на стекле с покрытием (2) после обстрела микрочастицами Fe (скорость 5-8 км. в сек.)
ТПУ

Опытную партию дисков передали в РКК «Энергия» для проведения наземных испытаний. Лабораторные тесты в НИИ прикладной математики и механики ТГУ по определению стойкости стекол иллюминаторов с покрытиями к ударному воздействию частиц железа, разгоняемых с помощью легкогазовых пушек до скоростей 5–8 км/с, прошли успешно. Благодаря защитному покрытию удалось получить почти трехкратное повышение ударной стойкости поверхности стекол.

В ближайшие несколько лет ученые проверят уже в космических условиях, как ведут себя защитные покрытия различного состава. В ходе космического эксперимента под названием «Пересвет» на внешней стороне российского научного модуля МКС будет развернут блок научной аппаратуры. На нем разместят стекла иллюминаторов и фотоэлектрические преобразователи солнечных батарей (ФЭП СБ) с нанесенными на них защитными покрытиями. Они будут находиться в условиях открытого космоса в течение года. Специалисты будут отслеживать изменения во времени технических параметров ФЭП СБ. Экспонированные образцы вернут на Землю, и после проведения исследований в состав защитных покрытий внесут корректировки.

magnifier.png Лабораторные тесты в НИИ прикладной математики и механики ТГУ по определению стойкости стекол иллюминаторов с покрытиями к ударному воздействию частиц железа, разгоняемых с помощью легкогазовых пушек до скоростей 5–8 км/с, прошли успешно. Благодаря защитному покрытию удалось получить почти трехкратное повышение ударной стойкости поверхности стекол

Будет также отработана технология ремонта стекол, поврежденных при ударах высокоскоростных частиц. Для этого космонавты смонтируют и развернут на внешней поверхности российского сегмента МКС блок научной аппаратуры с поврежденными стеклами иллюминаторов и рабочий инструмент «Плазмер», который разработают и изготовят ученые ТПУ в кооперации с космическими предприятиями страны. Этим инструментом выполнят ионную очистку стекол от осевшей космической грязи-нагара, затем с помощью ионного распыления специальных мишеней остановят развитие микротрещин от имеющихся на стекле кратеров, что позволит восстановить прочность стекол. Отремонтированные стекла вернут на Землю, чтобы оценить качество ремонта, а также внести коррективы в конструкцию инструмента «Плазмер» для изготовления на его основе и запуска в космос уже промышленных изделий.

Специалисты надеются повысить эффективность защиты стекол иллюминаторов пилотируемых космических кораблей, орбитальных и лунных станций, а также фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей космических аппаратов и радиаторов для отвода солнечного тепла. Это, в свою очередь, позволит увеличить ресурс работы и уменьшить массогабаритные характеристики космических аппаратов.

ГРАФИК СТЕКЛО.png

 

Смертоносные частицы

Столкновения космических аппаратов с высокоскоростными метеороидами и продуктами антропогенного загрязнения космоса относятся к числу важнейших факторов, вызывающих повреждения и разрушения космических аппаратов (КА). В наибольшей степени от ударов мелких частиц страдают оптические элементы: иллюминаторы, ФЭП СБ, линзы, зеркала и т. д.

magnifier.png Удар высокоскоростной микрочастицы вне зависимости от ее происхождения вызывает механические и плазменные процессы, при которых на поверхности образуется кратер, распространяется ударная волна, нарушающая связи в структуре стекла иллюминатора

Удар высокоскоростной микрочастицы вне зависимости от ее происхождения вызывает механические и плазменные процессы, при которых на поверхности образуется кратер, распространяется ударная волна, нарушающая связи в структуре стекла иллюминатора. В зоне удара высокоскоростных частиц о стекло возникает давление более 15 ГПа, стекло превращается в порошок, состоящий из мелких осколков. Объем осколков может в 100–1000 раз превышать объем ударяющей высокоскоростной частицы.

B хрупких материалах, как правило, образуется центральное углубление, заполненное тонкоизмельченной массой, с небольшими выступами по краям или без них. Вокруг центрального углубления появляется зона повреждений в виде кольцевых трещин, которая визуально напоминает раковину. Эта зона заканчивается радиальными трещинами, которые распространяются от места удара на расстояния, превышающие диаметр кратера в десять раз и более.

magnifier.png Результаты расчетов специалистов Европейского космического агентства показывают, что общая плотность потока метеороидов и частиц космического мусора диаметром 1–3 мкм на высоте орбиты 400 км и наклонении 51,6° составляет не менее тысячи на квадратный сантиметр

Специалисты провели исследования следов в виде кратеров от воздействия ударов метеороидов и микрочастиц космического мусора на поверхности ФЭП СБ, эксплуатировавшейся на орбитальной станции «Мир» в течение десяти с половиной лет. Общая плотность потока бомбардирующих микрочастиц составила несколько сотен на квадратный сантиметр поверхности. Основной вклад в эрозию защитных стекол ФЭП вносят частицы с размерами 1–100 мкм. Результаты расчетов специалистов Европейского космического агентства показывают, что общая плотность потока метеороидов и частиц космического мусора диаметром 1–3 мкм на высоте орбиты 400 км и наклонении 51,6° составляет не менее тысячи на квадратный сантиметр. Соответственно при эксплуатации КА происходит увеличение плотности кратеров и микротрещин на поверхности за счет ударного воздействия высокоскоростных частиц, что приводит к значительному снижению оптико-механических характеристик оптических элементов. Например, по критерию прозрачности при работе оптических приборов они могут выходить из строя в течение десяти-пятнадцати лет.

В заключение стоит отметить, что разработка защитных покрытий важна не только в сфере космонавтики, но и для защиты объектов, движущихся в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями.

Темы: Новости

Еще по теме:
22.11.2019
25 ноября родился выдающийся хирург, ученый и основатель современного военно-врачебного дела Николай Пирогов
21.11.2019
Обновленный суперкомпьютер «Говорун» презентовали в Дубне. Такое имя он получил в честь директора лаборатории вычислител...
19.11.2019
Объединенный институт высоких температур РАН, РКК «Энергия», МФТИ и компания — национальный чемпион «Лазерные системы» з...
11.11.2019
Десятого ноября 1888 года родился выдающийся советский авиаконструктор Андрей Николаевич Туполев — глава советской авиац...
Наверх