Плавка металла в космосе
Обновлено: 15.05.2024
С. Д. Гришин, доктор технических наук
Л. В. Лесков, доктор физико-математических наук
В. В. Савичев, доктор технических наук
КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО
В наши дни многие достижения космонавтики находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Использование искусственных спутников Земли для нужд связи, телевидения, метеорологии, картографии, навигации, для изучения природных ресурсов, в интересах геологии, сельского, лесного, рыбного хозяйства прочно вошло в повседневную деятельность человечества. Однако непрерывное совершенствование космических средств открывает все новые и новые возможности их применения в народном хозяйстве и науке. Одним из перспективных направлений космонавтики является производство в «осмосе новых материалов. Практическое решение этой важной научно-технической проблемы стало возможным в последние годы благодаря достигнутым успехам в создании долговременных пилотируемых орбитальных станций и транспортных кораблей, предназначенных для доставки на эти станции и возвращения на Землю космонавтов вместе с необходимыми расходуемыми материалами (фотопленка, топливо, запасы продовольствия и т. п.).
Исследования в области производства материалов в космосе обусловлены стремлением использовать в технологических процессах необычные условия, создающиеся при движении космических аппаратов по околоземным орбитам: прежде всего — длительное состояние невесомости, а также окружающий глубокий вакуум, высокие и низкие температуры и космическую радиацию.
В условиях невесомости ряд известных физических процессов протекает иначе, чем в привычных для нас земных условиях (при воздействии силы тяжести). Так, в невесомости отсутствует сила Архимеда, вызывающая в обычных земных условиях расслоение жидких веществ с разной плотностью, ослаблена естественная конвекция, приводящая в земных условиях к перемешиванию слоев жидкостей и газов, имеющих разные температуры. Это открывает принципиальные возможности как для получения в невесомости качественно новых материалов, так и для улучшения свойств существующих материалов.
В невесомости возможно бесконтейнерное удержание в пространстве жидкого металла, благодаря чему удается избежать его загрязнения за счет попадания примесей со стенок контейнера и получить в результате сверхчистые вещества. В невесомости поведение жидкостей определяется силами поверхностного натяжения, и это необходимо учитывать даже при выполнении таких обычных технологических процессов, как сварка, пайка, плавление и т. д.
В СССР первые технологические эксперименты были выполнены в 1969 г. На борту пилотируемого космического корабля «Союз-6» в условиях длительной невесомости летчик-космонавт СССР В. Н. Кубасов с помощью установки «Вулкан», изготовленной в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, отрабатывал различные способы сварки металлов. Была подтверждена практическая возможность выполнения различных сварочных работ в условиях космического пространства. Технологические эксперименты были проведены в 1975 г. во время полета орбитальной станции «Салют-4», а также при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». Некоторые технологические эксперименты выполнялись на вертикально стартующих высотных ракетах при их пассивном (с отключенными двигателями) полете в верхних слоях атмосферы (в этом случае состояние невесомости обеспечивается в течение небольшого времени — около десяти минут).
Новый шаг в направлении создания научных основ космического производства был сделан во время полета орбитальной научной станции «Салют-5», когда летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым, В. М. Жолобовым, В. В. Горбато и Ю. Н. Глазковым был осуществлен цикл технологических экспериментов с помощью комплекта приборов «Кристалл», «Поток», «Сфера», «Диффузия» и «Реакция».
Исследования по космической технологии проводятся также в США и других странах. Различные технологические эксперименты осуществлялись на кораблях «Аполлон-14, -16, -17», на орбитальной станции «Скайлэб», при запусках высотных ракет «Блэк Брант».
В предлагаемой брошюре дается общая характеристика современного состояния исследований в области космической технологии и космического производства. Рассказывается о перспективных направлениях космического производства, таких, как получение металлов, полупроводниковых материалов, оптического стекла, керамики, медико-биологических препаратов и т. п.
Физические условия на борту космических аппаратов
При полете космических аппаратов по околоземным орбитам на их борту возникают условия, с которыми на Земле человек обычно не сталкивается. Первое из них — длительная невесомость.
Как известно, вес тела — это сила, с которой оно действует на опору. Если и тело, и опора свободно движутся под действием силы тяготения с одинаковым ускорением, т. е. свободно падают, то вес тела исчезает. Это свойство свободно падающих тел установил еще Галилей. Он писал: «Мы ощущаем груз на своих плечах, когда стараемся мешать его свободному падению. Но если станем двигаться вниз с такой же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как же может он давить и обременять нас? Это подобно тому, как если бы мы захотели поразить копьем кого-нибудь, кто бежит впереди нас с такой же скоростью, с которой движется копье».
Когда космический аппарат движется по околоземной орбите, он находится в состоянии свободного падения. Аппарат все время падает, но не может достигнуть поверхности Земли, потому что ему сообщена такая скорость, которая заставляет его бесконечно вращаться вокруг нее (рис. 1). Это так называемая первая космическая скорость (7,8 км/с). Естественно, что все предметы, находящиеся на борту аппарата, теряют свой вес, иными словами, наступает состояние невесомости.
Рис. 1. Возникновение невесомости на космическом аппарате
Состояние невесомости можно воспроизвести и на Земле, но только на короткие промежутки времени. Для этого используют, например, башни невесомости — высокие сооружения, внутри которых свободно падает исследовательский контейнер. Такое же состояние возникает и на борту самолетов, выполняющих полет с выключенными двигателями по специальным эллиптическим траекториям. В башнях состояние невесомости длится несколько секунд, на самолетах — десятки секунд. На борту космического аппарата это состояние может продолжаться сколь угодно долго.
Такое состояние полной невесомости представляет собой идеализацию условий, которые в действительности существуют во время космического полета. На самом деле это состояние нарушается из-за различных малых ускорений, действующих на космический аппарат при орбитальном полете. В соответствии с 2-м законом Ньютона появление таких ускорений означает, что на все предметы, находящиеся на космическом аппарате, начинают действовать малые массовые силы[1], и, следовательно, состояние невесомости нарушается.
Действующие на космический аппарат малые ускорения можно разделить на две группы. К первой группе относятся ускорения, связанные с изменением скорости движения самого аппарата. Например, за счет сопротивления верхних слоев атмосферы при движении аппарата на высоте около 200 км он испытывает ускорение порядка 10 –5 g (g — ускорение силы тяжести вблизи поверхности Земли, равное 981 см/с 2 ). Когда на космическом аппарате включают двигатели, чтобы перевести его на новую орбиту, то он также испытывает действие ускорений.
Ко второй группе относятся ускорения, связанные с изменением ориентации космического корабля в пространстве или с перемещениями массы на его борту. Эти ускорения возникают при работе двигателей системы ориентации, при перемещениях космонавтов и т. д. Обычно величина ускорений, создаваемых двигателями ориентации, составляет 10 –6 — 10 –4 g . Ускорения, возникающие вследствие различной деятельности космонавтов, лежат в диапазоне 10 –5 — 10 –3 g .
Массовые, или объемные, силы — это силы, которые действуют на все частицы (элементарные объемы) данного тела и величина которых пропорциональна массе.
Плавка металла в космосе
Космическая металлургия
Металлургия имеет дело с получением металлов и с процессами, сообщающими металлическим сплавам необходимые свойства путем изменения их состава и структуры. К металлургии относятся процессы очистки металлов от нежелательных примесей, производство металлов и сплавов, термическая обработка металлов, литье, нанесение покрытий на поверхность изделий и т. д. Большинство этих процессов включает с себя фазовые переходы к жидкому или газообразному состояниям, для которых влияние величины массовых сил на состав и структуру конечного материала может быть значительным. Поэтому перенос металлургических процессов в космос открывает принципиальные возможности производства материалов с улучшенными характеристиками, а также материалов, которые на Земле получить нельзя.
Металлургические процессы в космических условиях могут быть использованы для решения следующих задач.
1. Приготовление сплавов, в которых нет сегрегации[6], обусловленной силой Архимеда (получение композиционных материалов, сплавов высокой однородности и чистоты, пенометаллов).
2. Приготовление сплавов в отсутствие конвекционных токов (бездефектные монокристаллы, улучшенные эвтектики и магнитные материалы).
3. Безгравитационное литье (приготовление пленок, проволоки, литых изделий сложной формы).
4. Бестигельная плавка металлов и сплавов (очистка металлов и сплавов, их однородное затвердевание).
5. Разработка методов получения неразъемных соединений на космических аппаратах (сварка, пайка и т. д.).
Рассмотрим коротко состояние исследований, направленных на получение в космосе материалов металлургическими методами.
Бездефектные кристаллы и сплавы. Для производства сплавов исходные компоненты могут быть приготовлены как в жидкой, так и в газообразной (паровой) фазе с последующей кристаллизацией. В невесомости из-за отсутствия разделения фаз можно задавать произвольные комбинации компонентов в любых состояниях. Можно, в частности, получить прямой переход из паровой фазы к твердому телу, минуя расплав. Материалы, полученные при испарении и конденсации, обладают более тонкой структурой, которую обычно трудно получить при процессах плавления и затвердевания (плавку в космических условиях можно рассматривать как способ очистки). При этом в расплаве возможны следующие эффекты: испарение более летучего компонента, разрушение химических соединений (окислы, нитриды и т. п.).
Важнейший процесс получения сплавов — затвердевание. Этот процесс существенно влияет на структуру металла. При затвердевании могут возникать различные дефекты в структуре металла: неоднородность сплава по химическому составу, пористость и т. д. Присутствие в расплаве перепадов температуры и концентрации может приводить к возникновению конвекции. Если расплав затвердевает в условиях колебаний температуры, то возникают локальные колебания скорости роста кристалла, что может привести к такому дефекту, как полосчатость структуры кристалла. Для преодоления этого дефекта структуры необходимы меры по уменьшению конвекции.
В космических условиях открываются возможности приготовления однородных смесей, состоящих из компонентов с разной плотностью и с различными температурами плавления. На Земле такие смеси не могут быть устойчивы из-за силы Архимеда. Особый класс сплавов такого типа — это магнитные материалы, в том числе новые сверхпроводники.
Ранее отмечалось, что одно из преимуществ метода зонной плавки в космических условиях состоит в том, что можно получать монокристаллы более крупных размеров, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести позволяет также по-новому организовать процессы направленной кристаллизации. Таким путем могут быть получены нитевидные кристаллы большой длины («усы», или «уискеры») с повышенной прочностью.
Рассмотрим эксперименты, в которых исследовались практические возможности космической металлургии. Так, в эксперименте на станции «Скайлэб» были получены сплавы из компонентов, которые плохо смешиваются в земных условиях. В трех ампулах были размещены заготовки из сплавов золото—германий, свинец—цинк—сурьма, свинец—олово—индий. В космических условиях образцы подвергались переплавке несколько часов, выдерживались при температуре выше точки плавления, а затем охлаждались. Доставленные на Землю образцы обладают уникальными свойствами: однородность материалов оказалась выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле, а сплав золота с германием оказался сверхпроводящим при температуре около 1,5 К. Аналогические смеси, полученные из расплава на Земле, этим свойством не обладают, видимо, из-за отсутствия однородности.
В рамках советско-американской программы ЭПАС был проведен такой эксперимент, целью которого было исследование возможности получать магнитные материалы с улучшенными характеристиками. Для исследований были выбраны сплавы марганец—висмут и медь— кобальт—церий. В рабочей зоне электронагревной печи поддерживалась максимальная температура 1075 °C в течение 0,75 ч, а затем в течение 10,5 ч печь остывала. Затвердевание происходило в период сна космонавтов, чтобы снизить нежелательное воздействие вибраций при их перемещениях внутри станции. Наиболее важный результат этого эксперимента состоит в том, что у образцов первого типа, затвердевших на борту космического корабля, величина коэрцитивной силы[7] на 60 % выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле.
Композиционные материалы. Композиционными материалами, или композитами, называют искусственно созданные материалы, которые состоят из основного связующего материала и прочного армирующего наполнителя. В качестве примеров можно привести комбинацию алюминия (связующий материал) со сталью, приготовленной в виде нитей (армирующий материал). Сюда же относятся и пенометаллы, т. е. металлы, в объеме которых содержится большое количество равномерно распределенных газовых пузырьков. По сравнению с образующими их компонентами композиционные материалы обладают новыми свойствами — повышенной прочностью при меньшем удельном весе. Попытка получить в наземных условиях композиты с основой, находящейся в жидком состоянии, приводит к расслоению материала. Приготовление композитов в космических условиях может обеспечить более однородное распределение армирующего наполнителя.
На станции «Скайлэб» был также поставлен эксперимент, цель которого состояла в получении композиционных материалов, армированных «усами» из карбида кремния (удельный вес 3,1). В качестве основного (матричного) материала было выбрано серебро (удельный вес 9,4). Композиционные материалы с металлической основой, армированные «усами», представляют практический интерес ввиду их высокой прочности. Техника их получения основана на последовательных процессах перемешивания, прессовки и спекания.
При проведении космического эксперимента размеры частиц серебряного порошка составляли ~ 0,5 мм, диаметр «усов» из карбида кремния ~ 0,1 мкм и средняя длина ~ 10 мкм. В кварцевой трубке, в которой размещался образец, имелся поршень из графита и кварца с пружиной для сжатия образца после расплавления, чтобы выдавливать из расплава пустоты. Исследование доставленных из космоса композиционных материалов показало, что по сравнению с контрольными образцами они обладают значительно более однородной структурой и более высокой твердостью. В случае материалов, полученных на Земле, четко видно структурное расслоение, происходит всплывание «усов» вверх.
Эвтектики. Эвтектика — это тонкая смесь твердых веществ, кристаллизация которых происходит одновременно при температуре ниже температуры плавления любого из компонентов или любых других смесей этих компонентов. Температура, при которой происходит кристаллизация такого расплава, называется эвтектической. Сплавы этого типа часто образуются из компонентов, сильно отличающихся друг от друга (например, в состав эвтектического сплава Вуда входят висмут, свинец, олово, кадмий). Эвтектические материалы широко применяются в науке и технике: их используют для изготовления лопаток газовых турбин, в качестве сверхпроводящих и специальных оптических материалов.
Для приготовления эвтектик обычно используют метод направленного затвердевания, т. е. затвердевания в одном заданном направлении. Применение этого метода в космических условиях представляет несомненный интерес, потому что из-за отсутствия конвекции можно улучшить однородность материала, а исключая контакт расплава со стенками, можно получать свободные от окислов материалы, которые будут обладать полезными оптическими свойствами.
Разновидностью эвтектик являются двухфазные системы типа «усов». Это игольчатые монокристаллы с весьма совершенной структурой, прочность которых благодаря отсутствию посторонних включений приближается к теоретически возможной. В невесомости такие материалы можно выращивать и внедрять в жидкий металл методами композиционного литья. Еще одна разновидность эвтектик — тонкие эпитаксиальные пленки. Такие пленки находят широкое применение при изготовлении транзисторов путем нанесения материала на твердую основу — подложку из жидкой или паровой фазы. Проявление конвекции в жидкости или в газе ведет к искажению решетки эпитаксиальных пленок, к появлению в них нежелательных включений и других дефектов структуры.
В космических условиях поставлен ряд экспериментов по исследованию эвтектических сплавов. Например, в одном эксперименте на станции «Скайлэб» исследовалось влияние невесомости на структуру сплава медь— алюминий при направленном затвердевании. В доставленных из космоса образцах количество дефектов уменьшилось на 12–20 %. В другом эксперименте на станции «Скайлэб» и МА 131 при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» исследовалось получение двухфазных эвтектик галогенидов (NaCl—NaF в первом случае и NaCl—LiF — во втором). При затвердевании такой эвтектики одна из фаз (NaF или LiF) может образовать нити, внедренные в другую фазу как в матричный материал.
Подобные эвтектики могут найти применение в качестве волоконных световодов[8] для инфракрасной области спектра. Нитеподобные эвтектики, произведенные на Земле, обладают большим количеством дефектов, возникновение которых связано с колебательными конвекционными движениями в жидкости. Структура эвтектик галогенидов, полученных в космосе, оказалась более совершенной, что привело к улучшению их технических характеристик. Так, коэффициент пропускания света для образца первого типа возрос в 40 раз, а второго типа — в 2 раза по сравнению с аналогичными образцами, выращенными на Земле.
Технология получения неразъемных соединений. Как отмечалось выше, первые в мире работы в этой области выполнены в Советском Союзе в 1969 г. на космическом корабле «Союз-6». На советской космической станции «Салют-5» космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов продолжили исследования в этом направлении, успешно осуществив опыты по пайке металлов с помощью прибора «Реакция». Прибор «Реакция» (см. рис. 6) и размещаемый в нем экзоконтейнер по конструкции не были герметичны, и поэтому для имитации условий пайки в космическом пространстве из герметизированной области между муфтой и трубкой был заблаговременно откачан воздух (см. рис. 9). Трубка и муфта были изготовлены из нержавеющей стали, а для создания между ними капиллярных зазоров на поверхности трубки сделана накатка глубиной 0,25 мм. В качестве припоя был выбран высокотемпературный марганец-никелевый припой (температура пайки 1200–1220 °C), который характеризуется высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью.
Наземные металлографические исследования и испытания швов (на вакуумную плотность, на механическую прочность на разрывной машине с внутренним давлением до 500 атм) показали, что полученные в космосе паяные соединения по качеству не уступают полученным в земных условиях, а по ряду показателей превосходят их. В частности, наблюдается равномерное заполнение зазоров припоем, более однородна микроструктура металла (см. рис. 10).
Результаты испытаний на борту космических аппаратов различных методов сварки и пайки подтверждают, что при выполнении на перспективных космических объектах монтажно-сборочных работ эти методы получения неразъемных соединений найдут широкое применение.
Примечания:
Сегрегацией, или ликвацией, в металлургии называется неоднородность сплава по химическому составу.
Коэрцитивной силой называют напряженность магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика.
Как зажигали в космосе
Вдруг подумал, что в невесомости можно делать идеальные сферы из расплавленных металлов, стекла и других материалов. Причем в довольно неплохом вакууме. Идеальная поверхность за счёт медленного остывания и поверхностного натяжения
По идее, да, но для каких задач нужны именно сферы? Для телескопов, например, нужны параболические зеркала.
Надо написать в госдуму, они примут новый закон отражения… и можно будет использовать сферические вместо параболических…
Мини-завод по производству гироскопов для кубсатов на МКС — сразу и производство, и сбыт. Или высокоточные эталоны веса. Ну и шарикоподшипники — тоже вариант, если удастся подобрать какой-нибудь износостойкий материал, который другим способом — сложно будет обрабатывать.
а почему бы и нет? Можно еще его карбид использовать в принципе. Правда, он относительно хрупкий, но при этом весьма и весьма твердый, + коррозионная устойчивость весьма на уровне. Шарики для шариковых ручек из него вроде делают, для некоторых… Но не уверен, т.к. инфа пару раз мелькала в сомнительных источниках. Обработка этого материала нетривиальна и по сути возможна только алмазом и подобными вещами, что недешево и долго. Может, в космосе такие подшипники клепать действительно будет выгодно в обозримом будущем.
Объективы камер, например… У нас используются купольные колпаки для подводных камер — чем ровнее колпак, тем меньше искажений на картинке… Сейчас изготавливаются методом прессования и последующей механической и химической обработки (обтачиваются на фрезерном станке и оплавляются кислотой). Всё это приводит к неизбежным механическим повреждениям и микротрещинам, что впоследствии приводит к разрушению колпака на больших глубинах (6 км). Плоско-параллельные иллюминаторы не дают такого угла обзора для камеры, как купольные. Но купол должен быть идеальным, чтобы не происходили геометрические искажения…
Подумалось… Ведь искажения они же статические? Измерить заранее и компенсировать при обработке изображения?
Для каждого колпака мерять. И для каждой камеры?? Слишком много факторов… Проще сделать колпак нормальным :)
Ну и в продолжение темы, про стеклянные шарики — у нас плавучести изготавливаются из материала «Синтактик», который суть есть мелкие стеклянные сферы внутри специальной эпоксидки. Производитель нормирует потери плавучести из-за разрушения этих сфер. Следовательно, рано или поздно приходится заменять эти плавучести, либо убирать балластные грузы, что негативно сказывается на характеристиках устойчивости подводного аппарата. Если бы сферы были идеальные, эти характеристики, думается мне, были бы выше… Но предполагаю, что цена таких материалов взлетела до небес — свозить стекло в космос, а затем привезти оттуда шарики достаточно накладно :)
Так что нужно надеятся только на снижение издержек на полёты в космос…
Назовем это калибровкой ;). Кстати, ни у одного живого организма в глазах не используются ни идеальные линзы, ни идеальные светочувствительные матрицы. Программная коррекция спасает. ;)
А в чем проблема сетку снять через конкретный купол конкретной камерой?
При наличии софта, дальнейшая калибровка — секундное дело.
Выше уже отписались о вариантах. Мне в голову приходят особо высокоточные линзы для микроскопов, например.
Как выглядит расплавленный металл в космосе?
С идеальными проблемно будет, на самом-то деле. Будет мешаться усадка, бо остывание с поверхности вглубь всегда хоть немного а «ведет», да и обеспечить расплавление в вакууме и невесомости не получив в нагрузку возмущения в расплаве от течений/реактивной силы тоже задачка не из простых…
Индукционный нагрев. В т.ч. реализуем и левитационный, когда расплав удерживается силами ЭМП четко в центре цилиндра индуктора (во всех трех плоскостях). Высокий кпд, универсальность, удобство регулирования температуры, возможность закалки ТВЧ отдельных узлов, широкий диапазон температур…
Вот как раз у индукционного нагрева, емнимс проблема с наведенными в расплаве течениями. А для идеального — нам надо чтобы внутри расплава ничего не двигалось.
Ну, индукционный нагрев позволит снижать температуру плавно, тем самым постепенно сводя внутренние напряжения на нет. Насколько я помню из учебников (не металлург, но эту тему затрагивали достаточно основательно), то основная причина внутренних напряжений — неравномерный нагрев и неравномерное охлаждение. Если постепенно снижать мощность на индукторе, то заготовка будет постепенно остывать, внутренние «течения» замЕдлятся вплоть до полной остановки на пределе текучести металла при данной температуре, ну а дальше можно уже и закалку сразу делать, например.
А что, дробь до сих пор производят капая свинец из высокой башни.
"Почему образцы сжигались в условиях обдува воздухом? Дело в том, что в пилотируемых кораблях обязательно работают вентиляторы, чтобы в воздухе, который не перемешивается в невесомости из-за отсутствия конвекции, не возникли потенциально опасные для человека локальные концентрации углекислого газа."
++
Основная причина — без обдува оно не горит :)
Ну кислород вокруг выгорел, а при отсутствии конвекции "свежий" кислород не подходит.
Про диффузию, упомянутую ниже, забыли. Плюс, распространение пламени может быть по материалу и без обдува.
подозреваю, что без обдува пламя быстро гаснет, то есть до диффузии (с ее мизерной скоростью) или до движения пламени по материалу дело просто не дойдет,
пишут, что во время экспериментов пламя переходило в категорию "холодного горения", но и это продолжалось не долго — гасло
После просмотра видео какие-то неоднозначные впечатления. Столько аварий подряд, десятки пробоин в системе кондиционирования – "ну видите как, неудивительно, станция же старая" – как вообще можно допускать эксплуатацию пилотируемой станции если она отслужила свой срок? Это не беспилотный марсоход.
На счёт грузовика, который не останавливаясь набирает скорость, по идее решение только одно — аварийный отвод в сторону сильным импульсом, без попытки состыковки со станцией с 1.5мм стенками.
Почему не было аварийных прокси-каналов связи через другие страны, почему только над Россией? Политический аспект? Но ведь на станции американец.
Вот как-то не возникает чувства гордости, или что там должно было возникнуть.
Столько аварий подряд, десятки пробоин в системе кондиционирования – «ну видите как, неудивительно, станция же старая» – как вообще можно допускать эксплуатацию пилотируемой станции если она отслужила свой срок?
Потому как генеральные конструкторы станции/отдельных систем дали на это «добро» — под ответственность своими должностями, и уголовными сроками. Её создатели посчитали что её ресурса хватит ещё на какой-то конкретный срок — и на него продлили её эксплуатацию. Этот срок — не с потолка взяли, и не «потому что станция миллионы стоит — пошлём кого-нибудь, авось выживут». И так делают со всем — от самолётов до атомных реакторов, это не какой-то отдельный «вопиющий» случай.
На счёт грузовика, который не останавливаясь набирает скорость, по идее решение только одно — аварийный отвод в сторону сильным импульсом, без попытки состыковки со станцией с 1.5мм стенками.
Набор скорости — уже предполагал не верную ориентацию грузовика, импульсом «в бок» — мог оказаться дополнительным импульсом прямо в станцию. Хотя где-то в начале развития событий — наверно можно было успеть отключить все двигатели и сориентироваться.
Почему не было аварийных прокси-каналов связи через другие страны, почему только над Россией? Политический аспект? Но ведь на станции американец.
Связь — скорее всего была. Только по поводу ремонта — подсказать могли только из ЦУПа в Королёве, так как у американского ЦУПа — ни чертежей станции, ни даже информации об общей её компоновке — скорее всего не было. А вот передавать важную информацию об устройстве станции, по открытому каналу через чужой ЦУП — скорее всего действительно секретность не позволяла.
А почему от просмотра любого фильма должно чувство гордости возникать? Аполлон-13 — тоже как-то чувства гордости не вызывает: это скорее документальные фильмы, и возможно — поучение для будущих инженеров/конструкторов. Нельзя же людей только «патриотическими» фильмами про вторую мировую войну пичкать.
космическая металлургия
космическая металлургия [space metallurgy] — металлургия, технологические процессы которой осуществляются, например, в условиях невесомости, космического вакуума, в условиях других планет. Космическая металлургия — зарождающаяся область науки и техники, истоки которой лежат в научно обоснованной К. Э. Циолковским неизбежности и необходимости космического производства (КП). Организация и развертывание КП, в том числе космической металлургии имеют не столь удаленные по времени цели. В развитии космической металлургии заинтересована космонавтика, т. к. процессы космической металлургии она вынуждена использовать для собственных технических нужд. Проблемы и вопросы добычи внеземного сырья, его переработки в металлы и другие вещества решаются пока в теоретических разработках, научно-технических проектах и исследованиях. Вместе с тем ряд компонентов процессов космической металлургии создаются и материализуются уже сейчас. Закладываются научная и техническая основы космической металлургии. Первые серьезные возможности исследования перспектив использования таких внеземных факторов, как невесомость, космический вакуум, в металлургических процессах появились только после создания мощных ракетно-космических транспортных систем. Невесомость — основной внеземной фактор, определяющий особенности процессов космической металлургии на борту космического аппарата (КА) вне атмосферы планеты с неработающими реактивными двигателями. В реальных условиях полета КА достичь абсолютной невесомости, т. е. такого состояния, когда взаимное давление частиц тела равно нулю, невозможно. На КА на околоземной орбите имеет место микротяжесть, составляющая 10 -3 — 10 -5 силы тяжести на поверхности Земли. При этом она не остается постоянной из-за ее непрерывных возмущений. Кроме того, на КА действуют знакопеременные нагрузки с амплитудой 10 — 10 -1 земной силы тяжести и частотой от долей единиц до сотен герц, возникающие из-за вибрации работающих на КА электродвигателей и иных механических перемещений деталей в исполнительных механизмах разных устройств и приборов на борту КА. На обитаемых станциях знакопеременные нагрузки возникают из-за действий человека.
Малое значение силы тяжести в условиях полета КА, а также нестабильность ее величины существенно сказываются на тепло- и массопереносе в расплавах, газовой и паровой фазах и, соответственно, на кинетике металлургических процессов, в частности кристаллизации. Становятся незначительными выталкивающие силы Архимеда. Снижена роль конвекции гравитационного типа. Основными становятся конвективные течения, вызванные капиллярными силами. В результате изменяется процесс фазообразования, микроструктура слитка, характер ликвации компонентов, сегрегации фаз по плотности в слитке и т. д. Все это отражается на свойствах сплавов и материалов. Невесомость открывает также широкие возможности бесконтейнерного удержания любых веществ в жидком состоянии и изменения формы расплава. В процессах формообразования расплавов действие межмолекулярных сил становится определяющим. Расплав в свободном состоянии принимает форму сферы. Другим внеземным фактором, который может быть использован в космической металлургии, является вакуум. На околоземных орбитах КА давление атмосферы 10 -4 — 10 Па. Вблизи КА оно на один-два порядка выше.
Практическое начало космической металлургии было положено экспериментом по плазменно-лучевой и дуговой сварке металлических заготовок в 1969 г. на борту космического корабля «Союз-6» Г. С. Шониным и В. Н. Кубасовым с использованием специализированной установки «Вулкан», спроектированной и изготовленной в Институте электросварки им. Е. О. Патона (г. Киев). Этот эксперимент позволил впервые осуществить и исследовать процессы плавления и затвердевания металла в сварном шве в условиях орбитального полета. В дальнейшем эксперименты по космической металлургии заняли прочное место в космических программах всех индустриально развитых стран.
Для металлургических процессов на борту КА использовались электротермические установки мощностью не более 1 — 1,5 кВт с температурами нагрева до 1500 °С. По мере того, как будут увеличиваться энергетические ресурсы на КА, будут расти и мощности, используемые для целей космической металлургии. Одновременно с проблемой энергопотребления решаются и вопросы регулирования температурного режима на борту КА созданием специальных систем отвода тепла в космическое пространство.
Установки для процессов космической металлургии проектируются так, чтобы в наибольшей мере автоматизировать выполняемые ими операции. На автоматической КА установки полностью автоматизированы. В космических печах приняты меры для предотвращения растекания расплавов, выхода из печей нагретых газов и т. п. Каждый металлургический процесс осуществляется в индивидульной герметической ампуле, капсуле или герметичной камере. Использование ампул и капсул облегчает транспортировку обрабатываемого веществ на КА и обратно.
Для углублубления исследования явлений, определения специфической особенности металлургических процессов в условиях космического полета, создаются специальные установки и приборы для научных исследований. например исследуются: поведение объемов жидкости, находящейся в контейнерах разной формы, в условиях действия внешних сил, которые могут появляться на борту КА; структура, устойчивость и интенсивность конвективных течений жидкости, в т. ч. вызываемых капиллярными силами; динамика процессов формообразования под действием капиллярных сил; способы управления структурой и интенсивностью конвективных течений; тепло- и массоперенос в расплавах и газах. Создаются соответствующие установки и изучаются такие фундаментальные свойства, как коэффициенты диффузии в расплавах и парогазовых средах, термодиффузия, поле переменного вектора ускорений, возмущений вектора микротяжести и конвекции из-за градиентов капиллярных сил. В условиях космического полета получено достаточно большое количество образцов металлических сплавов и интерметаллических соединений с полупроводниковыми, магнитными или сверхпроводящими свойствами.
Исходя из экспериментальных и теоретических исследований, а также технико-экономической целесообразности, предпочтение отдается развитию процессов получения в условиях космического полета монокристаллов и эпитаксиальных структур полупроводников: Si, Ga As, Cd Те и др.
Смотри также:
— Металлургия
— черная металлургия
— цветная металлургия
— порошковая металлургия
— металлургия полупроводников
— плазменная металлургия
— вакуумная металлургия
— бескоксовая металлугрия
— атомная металлургия
Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .
Полезное
Смотреть что такое "космическая металлургия" в других словарях:
Металлургия — от греческого metallurgeo добываю руду, обрабатываю металлы, metallon рудник, металл и ergon работа) [metallurgy] область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающая получение металлов из руд и других материалов, а также процессы,… … Энциклопедический словарь по металлургии
металлургия полупроводников — [semiconductor metallurgy] область науки и техники, а также отрасль ЦМ, охватывающая процессы получения неорганических полупроводниковых веществ и материалов и изделий из них с заданными свойствами. Возникновение этого направления металлургии… … Энциклопедический словарь по металлургии
порошковая металлургия — [powder metallurgy] раздел науки и отрасль металлургической и машиностроительной промышленности, включающий технологические процессы получения порошков металлов, сплавов и химических соединений, производства из них полуфабрикатов и готовых… … Энциклопедический словарь по металлургии
плазменная металлургия — [plasma metallurgy] металлургия с использованием низкотемпературной плазмы, генерируемой в плазматронах, для осуществления и интенсификации технологических процессов, например извлечения из руд, плавки и обработки металлов. Теоретическая основа… … Энциклопедический словарь по металлургии
атомная металлургия — [nuclear metallurgy] условное название направления металлургии, использующего производимую в атомных (ядерных) реакторах электрическую, тепловую и радиационную энергию для осуществления и интенсификации химико технологических процессов (рис.1).… … Энциклопедический словарь по металлургии
цветная металлургия — [non ferrous metallurgy (science), non ferrous metals industry (industry)] отрасль тяжелой промышленности, включающая добычу и обогащение руд, производство и обработку цветных металлов и их сплавов. Структурно ЦМ включает 16 подотраслей:… … Энциклопедический словарь по металлургии
черная металлургия — [ferrous metallurgy (science), iron and steel industry (industry)] отрасль тяжелой индустрии, включающая комплекс взаимосвязанных подотраслей: собственно металлургическое (доменное, сталеплавильное, прокатное), трубное и метизное производства,… … Энциклопедический словарь по металлургии
вакуумная металлургия — [vacuum metallurgy] раздел металлургии, включающий плавку и рафинирование металлов и сплавов в разреженной атмосфере; относится к специальной электрометаллургии. В настоящее время широко применяется для производства разных сталей и сплавов (от… … Энциклопедический словарь по металлургии
бескоксовая металлугрия — [non coke metallurgy] бездоменная металлургия, прямое получение железа и полупродукта (2 4 % С) из руд, минуя стадию выплавки чугуна в доменной печи. Поиски и разработки процессов и агрегатов бескоксовой металлугрии интенсивно ведутся в мире… … Энциклопедический словарь по металлургии
space metallurgy — Смотри космическая металлургия … Энциклопедический словарь по металлургии
Что происходит с металлом в космосе?
Общеизвестный факт – металл в атмосфере нашей планеты подвержен окислению (реакция взаимодействия с кислородом). Любой кусок металла в атмосфере Земли покрывается тонким слоем окисления и этот слой является как бы защитной пленкой. Но что произойдет с металлом в космическом вакууме?
Если в космическом пространстве два куска металла приложить один к другому, то без защиты окисленного слоя атомы металла начнут активно взаимодействовать друг с другом, и в итоге два рассматриваемых куска металла просто склеятся друг с другом.
С учетом этого факта инструменты для космонавтов, которыми они пользуются в открытом космосе, покрываются защитным пластиковым покрытием. Это реальный факт. Но стоит отметить, что если взять в космос инструмент с Земли, то он уже имеет защитную пленку, полученную в результате естественного окисления. А значит к другому металлическому предмету такой инструмент уже не прилипнет.
Американские ученые экспериментировали с различными металлами, помещая их в вакуум. Целью этих опытов было выяснить, что происходит с металлами в космическом пространстве. Условия вакуумной камеры соответствовали условиям пространства на уровне 800 километров над поверхностью Земли. В результате этих опытов ученые выяснили интересные факты:
- Некоторые металлы, а именно сплавы магния, цинк, кадмий просто испарились
- Самая высокая устойчивость к указанным условиям оказалась у платины, вольфрама, титана и стали
- Срок службы металлов в условиях космоса возрастает в разы. Причиной такого эффекта ученые посчитали все то же отсутствие кислорода в космическом вакууме. Отсутствие кислорода, по мнению ученых, способствует «затягиванию» микротрещин на поверхности металлических предметов.
В связи с фактом увеличения срока службы металлов в космосе многие дальновидные исследователи размышляют о космической металлургии. Ученые занимаются исследованием возможности добычи и производства металлов на Луне. Конечно, это не простая задача, — условия на Луне таковы, что при 700-900 0 С твердое железо перейдет в газообразное состояние.
Специалисты в области физики считают, что необъятная Вселенная может стать прекрасным источником добычи металла. Источниками могут быть не только Луна, но и любые космические тела, такие как астероиды и метеоры. А в бескислородных условиях космоса возможно будет оптимально применить новейшие технологии обработки металлов.
В условиях же нашей планеты, как говорилось выше, металлы подвержены окислению. И этот процесс отнюдь не приносит пользы металлическим изделиям в долгосрочной перспективе. Результатом окисления поверхности металла становится коррозия. Коррозия проявляется в разных вариантах, самый яркий пример коррозии – это ржавление.
Одним из популярных и востребованных способов борьбы с коррозией является лазерная очистка. Этот метод отличается высокой эффективностью и используется для очистки металлических поверхностей от разных загрязнений – окислов, пятен, краски, ржавчины и т.п.
Важные преимущества лазерной очистки:
- Лазерная очистка не меняет эксплуатационные свойства металлического изделия,
- Это экологичный способ обработки, который не требует никаких расходных материалов,
- Лазер позволяет очищать детали любой, даже самой сложной геометрической формы.
Мастера нашей компании имеют большой опыт очистки металла лазером. Чтобы заказать услугу лазерной очистки оставьте заявку на нашем сайте.
Еще один способ повысить долговечность и износостойкость изделия – это закалка металла. Подробнее смотрите на нашем сайте
Читайте также: