Создание новых материалов для космоса

Библиографическая ссылка на статью:
Мочалова А.С., Ротанова В.А., Ребяков Н.С. Перспектива развития космических материалов // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 6 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/06/83253 (дата обращения: 09.06.2021).

Мир вокруг нас нельзя представить без материалов: они повсюду. Их бесчисленное множество: стекло, керамика, алюминий, ткань и т.д. Человечество с давних пор начало задумываться над вопросом: «В чем отличие того или иного материала, как он может пригодиться в жизни?». В наше время люди научились получать сплавы и композиты, т.е. пользоваться преимуществами любого вещества. И не только на Земле, но и в бесконечном космическом пространстве люди научились использовать материалы. Что они из себя представляют?

Металлы – это главные конструкционные материалы, используемые создания ракетно-космических машин. Итак, самые пригодные для космоса это (см. схему №1):

Алюминий считается любимцем авиаконструкторов, но для улучшения свойств из него приходится делать сплавы.
Железо – неотъемлемый металл любых инженерных сооружений. Железо в виде различных высокопрочных нержавеющих сталей стоит на втором месте среди материалов, применяемых для постройки ракет.
Медь также является одним из основных металлов электротехники и теплотехники.
Серебро – древнейший драгоценный металл, он является связующим звеном меди и стали в жидкостном двигателе ракеты. Титан и сплавы на его основе – важнейший металл космического века. Несмотря на общераспространенные убеждения, этот металл недостаточно широко используется в ракетной технике — из сплавов на основе титана чаще всего делают газовые баллоны высокого давления. [1]

Схема №1. Основные космические металлы

Но прогресс не стоит на месте, и при разработке средств исследования космического пространства требуются новые структуры, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов. В наши дни идет стремительная разработка инновационных космических материалов, таких как интеллектуальные космические композиты, самовосстанавливающиеся материалы и нанотрубки. (см. схему №2)

Схема №2. Инновационные космические материалы

Самовосстанавливающийся материал. Ученые NASA в партнерстве с химиками Мичиганского университета создали многослойный полимерный материал, имеющий функцию «самозаживления». Если микрометеорит проделывает в космическом сооружении небольшое отверстие, то материал сам закрывает его, сохраняя таким образом герметичность данного объекта. В дальнейшем ученые планируют использовать такой материал для протекции космических станций от орбитного космомусора и микрометеоритов. Вот как выглядит этот материал: жидкая смола определенного состава (чаще всего на основе тиолов) составляет слой между двумя полимерными пластинками. Находясь в изоляции от воздуха такая смола может находится в виде вязкой жидкости очень долгое время. Во время внешнего воздействия, которое способно образовывать дыры в полимерных пластинах, смола вытекает из этой пластины и начинает реагировать с воздухом, и в процессе этого вступает в химическую реакцию. Вытекшая смола мгновенно становится твердой и закупоривает отверстие. Характер действия этого материала схож с процессом сворачивания крови. Самовосстанавливающийся композит пригоден даже для иллюминаторов, потому что он смола и полимерные панели, между которых она находится, прозрачны и бесцветны. [2]

Космические нанотехнологии. NASA совместно с космическим центр Джонсона заключили договор о совместной разработке и применении высочайших технологий и, в особенности, нанотехнологий для исследования пространства космоса. NASA планирует упростить вывод космомашин на орбиту с использованием космического лифта, изготовленного из нано-трубок. Они имеют высокую жесткость, что может помочь им затмить большинство новейших материалов для аэроконструкций. Композиты из нано-трубок снижают вес современных космических объектов примерно в два раза. Углеродные нанотрубки из одного слоя, созданные в 1991 году обладают чрезвычайной прочностью, поэтому они не очень подходят для основной ленты космического лифта. Они в 100 раз прочнее стали, и, соответственно примерно в 5 раз прочнее, чем предполагается для создания. Соотношение прочность и веса такого материала ленты больше, чем у высокозакаленной стали.

«Интеллектуальные» космические материалы. В последние 10 лет вместе с безостановочным совершенствованием уже имеющихся материалов, составляющий довольно важный технический и экономический прогресс благодаря неповторимому взаимодействию свойств, появились тенденции разработки новых материалов, которые активно взаимодействуют с внешней средой. Эти материалы стали называться «интеллектуальными». Они могут «чувствовать» свою физическую среду, внешние факторы и по-своему реагировать на них, т.е. способны проводить самодиагностику при появлении и прогрессировании деффекта, устранять его и оставаться в стабильном положении в критических зонах. Благодаря разнообразию свойств таких материалов их можно использовать почти во всех деталях конструкций космической техники (обтекатели, узлы трения, отсеки, корпусы и др.) [3]

Как мы видим, материалопроизводство не стоит на месте и космос – прямое тому подтверждение. Люди используют ранее известные нам материалы, а также создают материалы, которые имеют поразительные свойства. Но без совершенствования невозможно представить нашу жизнь и жизнь того, что нас окружает. Использование данных материалов позволит контролировать и прогнозировать состояние различных конструкций космических аппаратов в требуемый момент времени и даже на труднодоступных участках, значительно повысить ресурс систем и их надежность. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90% современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности «интеллектуальными», что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.

Библиографический список

Воронина Е.Н., Галанина Л.И., Зеленская Н.С., Лебедева В.М., Милеев В.Н., Новиков Л.С., Синолиц В.В., Спасский А.В. Механизмы ядерных реакций при взаимодействии космической радиации с материалами и наноструктурами// Известия Российской Академии Наук. Серия физическая. 2009 г. С.208-2012
Молодцов Е.В., Минаков В.Т., Турченков В.А., Масенкис М.А. Некоторын вопросы обеспечения неметаллическими материалами авиационно-космической техники// Материалы и технологии для авиационно космической техники. 2005 г. С.28-29
Хасанов О.Л., Двилис Э.С., Хасанов А.О., Петюкевич М.С., Ремизов И.И. Легкий композиционный материал для космической техники. 2015 г. С.6

Количество просмотров публикации: Please wait

Источник

«Сделано в космосе»: 4 продукта, которые имеет смысл производить на орбите

Космос открыт для бизнеса, и некоторые предприниматели планируют превратить околоземное пространство в производственный центр. Интересных предложений много, но большая часть из них разбивается об одну серьезную проблему: для запуска килограмма материала в космос все еще требуется несколько тысяч долларов.

«Ключевой вопрос заключается в следующем: оправдаются ли расходы на изготовление этих вещей на низкой околоземной орбите?», — говорит Уильям Вагнер, директор Института регенеративной медицины Макгоуэна при Питтсбургском университете, который будет проводить биомедицинские исследования на Международной космической станции.

Вот некоторые предметы, которые через несколько лет вполне могут получить ярлык «сделано в космосе».

Современные оптоволоконные кабели создаются из фторидных стекол ZBLAN, которые имеют широкое окно прозрачности, малый показатель преломления и низкую температуру стеклования. Все это позволяет им на порядок снизить потери сигнала в сравнении с оптоволоконными кабелями, созданными из обычного для нас диоксида кремния.

Но качественные волокна ZBLAN трудно сделать на Земле. Когда расплавленное стекло растягивается в волокна толщиной с леску, а затем охлаждается, внутри него часто образуются крошечные кристаллы, которые могут ослаблять сигналы при передаче. Микрогравитация подавляет образование этих кристаллов, поэтому волокна, сделанные в космосе, смогут переносить больше данных на большие расстояния.

По словам Остина Джордана из компании Made in Space, которая планирует производить такие волокна в космосе для нужд наземных клиентов, возможность передавать больше данных плюс потребность в меньшем количестве ретрансляторов сможет оправдать более высокую цену, например, в случае с трансокеаническими кабелями. «Математика работает. Это окупится и принесет прибыль», — говорит он.

Две другие конкурирующие компании, Fiber Optic Manufacturing in Space и Physical Optics Corp., также планируют производить волокна ZBLAN на низкой околоземной орбите.

Печать органов

Только в России десятки тысяч человек ждут пересадки органов. «К сожалению, большинство ожидающих никогда не дождется свое очереди», — говорит Евгений Боланд, главный научный сотрудник Techshot, который предлагает печатать человеческие сердца в космосе.

Сердце с его четырьмя пустыми камерами и высокоорганизованной мышечной тканью, сделанной из разных типов клеток, практически невозможно напечатать на Земле. Ткани, напечатанные с помощью жидкого биогеля и стволовых клеток человека, разрушаются под воздействием собственного веса. Чтобы избежать этого, ученым приходится добавлять токсичные химические вещества или соединительные материалы.

Печать сердца и других органов в условиях микрогравитации может быть выполнена только с использованием чистого биогеля. «Цилиндрическая форма, выдавленная из сопла, сохраняется в условиях микрогравитации, поэтому вы можете построить более хрупкую 3D-структуру, которая позволит клеткам в геле создавать свою собственную матрицу и укреплять ее», — говорит Вагнер. К тому же, по словам Боланда, напечатанные в космосе слои сливаются вместе, не образуя борозд, видимых в конструкциях, напечатанных на Земле.

Компания Techshot, базирующаяся в Гринвилле, штат Индиана, сотрудничает с производителем 3D-биопринтеров nScrypt. Их первый совместный биопринтер отправился на МКС еще в июле, но небольшой кусочек сердечной мышцы, который он напечатал, не пережил повторного входа в атмосферу. Следующая миссия, начатая в ноябре, должна позволить создавать более толстую ткань, которую можно будет проверить на Земле, когда она вернется в январе следующего года.

Космическое пространство — идеальное место для изготовления металлических сплавов. Микрогравитация позволяет металлам и другим элементам смешиваться более равномерно.

Магниевые сплавы для медицинских имплантатов обладают особенно высоким потенциалом. При половине веса титановых сплавов магниевые сплавы более точно соответствуют плотности и прочности кости, и к тому же они безвредно разлагаются в организме, говорит профессор биоинженерии Питтсбургского университета Прашант Кумта, который сотрудничает с Techshot для производства своих запатентованных сплавов в высокотемпературной печи на МКС.

Изготовление этих сплавов включает в себя плавление высокореакционноспособного магния с другими элементами, такими как кальций и цинк, после чего поддержание расплавленных материалов в вакууме в течение длительного времени, чтобы элементы смешались равномерно, и, наконец, медленное охлаждение получившегося сплава.

На Земле примеси оседают на дно, а верхний слой окисляется, образуя непригодную для использования пленку. И то и другое приходится выбрасывать. Даже пригодный для использования средний слой имеет поры и карманы из несмешанных элементов, поэтому его приходится дополнительно обрабатывать, чтобы получить качественный материал. Ни одна из этих проблем не возникает, когда сплавы производятся в условиях микрогравитации.

То, что Techshot и nScrypt хотят сделать с человеческими органами, израильский продовольственный стартап Aleph Farms планирует сделать с мясом. Эта молодая компания из Реховота занимается производством бифштексов, которые на вкус и внешний вид выглядят как настоящие. «В то время как другие компании используют только мышечные клетки, мы также выращиваем соединительную ткань, кровеносные сосуды и жировые клетки, что позволяет нам добиться максимального сходства с оригиналом», — говорит Йоав Рейслер, менеджер по внешним связям в компании.

В сентябре Aleph Farms объединилась с российской компанией 3D Bioprinting Solutions, чтобы создать первый крошечный кусочек мяса на МКС. Конечно, это не бог весть какой огромный технический прогресс, но развитие этой технологии может помочь накормить космонавтов в длительных полетах, а также будущих космических поселенцев на постоянных базах на Марсе или Луне.

Источник

Композиты для космоса: какими они должны быть и как их создают

Герман Суворов на InSpace Forum 2018

Изделия для космической сферы должны быть прочными, легкими, выдерживать сверхнизкие температуры (равно как и сверхвысокие), а иногда даже — пропускать электромагнитное излучение. Об этом рассказал Герман Суворов, глава компании «Инжинити», которая специализируется на выпуске изделий из композитных материалов в области приборостроения и космоса.

Он выступил участником дискуссионной панели в рамках InSpace Forum 2018, который прошел в Москве 21 марта. Там мы встретились и пообщались о том, как проходит разработка изделий для космической сферы и в чем их отличие от «земных» конструкций.

Интервьюер: Сергей Карпов
Респондент: Герман Суворов

Здравствуйте, Герман. Расскажите, как происходит разработка материалов для заказов в сфере космоса?

По сути мы почти всегда разрабатываем одновременно и материал, и изделие. Композит состоит из двух и более материалов, которые соединены вместе. Так новый материал получает новые свойства. Наша задача — подобрать такие материалы для заказов из сферы космоса, которые дадут нужные свойства. Мы работаем с углепластиком, стеклопластиком, кевларом, полиуретанами, силиконами, керамикой, металлами.

Заказчик предъявляет требование создать материал с определенными характеристиками. Например, ему нужно, чтобы изделие было проницаемым для электромагнитного излучения определенного диапазона. Для нас это означает, что армирующие волокна должны быть радиопрозрачными. Или, например, другому заказчику нужно, чтобы изделие отражало электромагнитное поле — в этом случае мы берем экранирующие волокна.

Есть заказ: сделать изделие с определенными характеристиками. Мы изучаем свойства материалов, описанные в открытых источниках. Но почти всегда нам приходится проводить испытания. Когда нужно обеспечить требуемые свойства с высокой степенью надежности, мы закупаем образцы материалов, делаем из них тестовое изделие, испытываем его на нужные свойства. По результатам мы проектируем финальное изделие и испытываем уже его. Количество тестов может быть разным, ибо зачастую информация о том или ином материале от разных производителей не вполне корректна.

Каким требованиям должны соответствовать материалы для космической сферы?

Это, как правило, выдерживание криогенных температур, отсутствие эмиссии газов и требуемые механические свойства. Мы в курсе всех самых современных разработок материалов в мире, поэтому подбираем составляющие для композита очень тщательно. Чаще всего это какой-либо полимер и армирующие волокна.

По механическим свойствам — это обычно «классика»: прочность и жесткость, способность конструкции сопротивляться разрушению и деформации. Плюс ограничение веса. По традиционному инженерному подходу, если нужно сделать конструкцию прочнее или жестче, то меняется форма и добавляется больше материала. А с помощью современных технологий мы можем не увеличивать массу, но при этом значительно усилить прочность и жесткость.

Также для космической сферы очень важно, чтобы из материала не выделялся газ. В космосе газ может попасть на чувствительные элементы космического аппарата: линзы, зеркала, электронные устройства. Это может повредить работе аппарата. Чтобы обеспечить отсутствие газа в материале, мы добиваемся полной полимеризации, чтобы не было свободных несвязанных молекул, и они не высвобождались в космосе, оседая на чувствительных элементах аппарата. Отдельно проводим испытания для образцов материалов, которые должны использоваться при производстве изделия.

А как насчет защиты от космической радиации?

Да, требование по радионепроницаемости тоже встречается. Но это зависит от того, где будет располагаться изделие: закрыто оно экранирующей оболочкой или открыто для излучения.

Вопрос решается подбором материалов. В зависимости от требований, мы просто добавляем определенные присадки в состав, которые придают свойства защиты от определенного диапазона излучений.

Расскажите подробнее о разработке корпуса батарей для спутника ГЛОНАСС. Какой должна была получиться конструкция? Для чего она служит? Сколько времени ушло на ее создание?

Сам корпус просто служит ячейкой для батареи. Казалось бы, простая задача, но с учетом всех требований она становится наукоемкой инженерной проблемой. Главные требования — механическая прочность и жесткость. Корпус должен был держать форму под нагрузками, выдерживать вибрации, которые присутствуют при запуске ракеты. Разумеется, материал не должен был выделять газ в космосе, а сама конструкция должна была дегазироваться в атмосфере: это означает, что воздух и другие газы из всех скрытых полостей должны выходить достаточно быстро, чтобы не повлиять на конструкцию. Наше изделие за 8–10 минут из атмосферных условий выходит в вакуум — это надо учитывать, потому что если в скрытых полостях будет газ, он может разорвать изделие.

Корпус должен был соответствовать требованиям по пожаростойкости и химической стойкости — чтобы химические вещества батарей в случае прокола не разрушили конструкцию.

На его создание ушло примерно два месяца, причем львиную долю времени заняли испытания изделия. Это по факту очень быстро.

Другой проект «Инжинити» — планер для БПЛА. Какие задачи поставил перед вами заказчик и как вы их решили?

У заказчика уже была конструкция композитного планера. Нужно было увеличить размер полезной нагрузки, при этом сохранив прежний вес. Проблема была решена заменой материала, технологии. Мы сделали оболочку конструкции тоньше и легче. Боюсь ошибиться в цифрах, но площадь планера увеличилась примерно на 20%, а вес мы уменьшили на 30%.

В этом заказе мы не изменяли аэродинамику устройства. Наша задача была — в эти аэродинамические обводы вписать новую конструкцию. Мы использовали несколько решений, которые позволили нам значительно упростить инженерию. Во-первых, это был бесшарнирный подвес элевонов. То есть элевоны стали отклоняться не за счет работы механического шарнира, а благодаря упругости материала — мы организовали специальные гибкие зоны в конструкции. Это одна из «фишек» композитов: мы можем в монолитном изделии сделать переменную жесткость. Такое решение упрощает сборку и снижает вес изделия.

В чем заключаются особенности заказов для космической сферы? Какие есть отличия от «земных» продуктов?

В первую очередь для космоса нужна низкая масса. Мы всегда работаем над снижением массы нашей продукции. Кроме того, требование, чтобы изделие не выделяло газ, практически не имеет значения для «земных» изделий, в то время как для космоса оно крайне важно. Космическая техника всегда находится на «острие» прогресса, поэтому здесь больше возможностей сделать что-то новое.

Плюс, в отличие от авиационной отрасли, космическая не так сильно регулируется. Это нам нравится, поскольку мы можем применять самые современные разработки — как наши собственные, так и достижения других стран. В пилотируемой авиации это сложно сделать.

Почему? В авиации есть определенные требование к материалам и конструкции?

Да. Там нужна обязательная сертификация практически всего, что делается для самолета. Есть несколько органов, которые за этим следят и выдают лицензии и сертификаты. Есть лицензия Минпромторга на разработку и производство авиационной техники. Есть сертификация IPA, выдающаяся каждому летательному аппарату — и при внесении малейших изменений в конструкцию необходимо проходить сертификацию заново.

В целом это понятно, потому что на пилотируемых самолетах летают люди, и если что-то сделать неправильно, то ценой ошибки может стать человеческая жизнь. С другой стороны, бывают такие вещи, которые затормаживают технический прогресс.

Какой заказ для компании «Инжинити» был самым сложным, самым вызывающим? В чем заключались основные трудности и как вы с ними справились?

На самом деле у нас очень много сложных задач и выделить какую-то крайне затруднительно. К нам приходят, когда какая-то команда инженеров билась над проблемой, не пришла к результату, а сроки уже «горят». В каждой задаче есть что-то нетривиальное.

Бывают ли у вашей компании заказы по разработке только материала, без какого-либо изделия?

Была такая задача. К нам обратился клиент, работающий с криогенной техникой. Мы проводили исследования и подбирали материалы, которые работают в криогенных средах (примерно -200° C), сохраняют механическую прочность и прозрачны для электромагнитного излучения. Из разных составляющих мы собрали композит, который соответствует всем этим требованиям.

Какие этапы проходит конкретное изделие, прежде чем вы отправите его заказчику?

Как правило, все начинается с разработки технического задания, потому что часто заказчики приходят с заданиями, которые требуют уточнения. Это очень важный этап — основа всего проекта.

Далее идет этап проектирования. Иногда нужно сделать промышленный дизайн. После этого идет работа с 3D-моделями конструкций в виртуальной среде. Потом мы готовим производство — технологическую оснастку. Готовим материалы, далее создаем прототип. На прототипе мы тестируем все необходимые требования, которые важны заказчику. По результатам исследований вносим необходимые корректировки — и уже потом организовываем серийное производство. Как правило, серийная технология отличается от той, которая была использована при создании прототипа.

Как вы осуществляете контроль качества?

Это всегда тесты и исследования, но все зависит от конкретного материала и изделия. Как правило, для композитов это методы неразрушающего контроля. Они позволяют заглянуть вглубь материала и обнаружить возможные расслоения, непроклеенные места. Благодаря им можно проверить целостность материала и то, насколько он полимеризован. У нас есть подрядчики с необходимым оборудованием — мы их приглашаем и проводим тесты. Проверяем всегда готовый продукт. Если есть несоответствия — отправляем на доработку. Если все в порядке — изделие готово к серийному выпуску.

График мероприятий, посвященных инновационным технологиям, смотрите на сайте Smile-Expo. Ближайшие пройдут в Москве: M-Health Congress (3 апреля) — событие, посвященное телемедицине и индустрии мобильного здоровья; и Artificial Intelligence Conference (19 апреля) — конференция по применению искусственного интеллекта в бизнесе.

Источник