​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.

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.

«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.

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.

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.

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.

Алексей Андреев

Похожие новости

  • 28/12/2016

    Термостойкий материал нового поколения прошел испытания

    ​На базе головной организации Федерального космического агентства - ЦНИИ МАШ - прошли испытания термостойкого материала нового поколения, созданного учеными ФТФ ТГУ и ИФПМ СО РАН для применения в ракетостроении.
    1719
  • 28/10/2019

    Томичи готовятся запустить 3D-принтеры в космосе

    Коллектив ученых из Томского политехнического университета и Института физики прочности и материаловедения СО РАН совместно с РКК «Энергия» готовят эксперимент по 3D-печати композитным пластиком в условиях космоса.
    123
  • 04/09/2019

    Цитируемые ученые ТПУ: катализаторы из золота и оболочки для ТВЭЛов

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за летний период. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 75, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 9,405 (Green Chemistry, Q1).
    352
  • 08/05/2018

    Томские ученые разработали быстрый способ печати имплантов нового поколения

    Ученые лаборатории медицинских материалов ТГУ, в которую входят сотрудники университета, ИФПМ СО РАН и НИИ онкологии ТНИМЦ, работают над созданием прямого способа печати имплантов для замены утраченных фрагментов кости.
    1411
  • 01/07/2016

    Как с помощью парафина и воска получить сверхпрочный протез

    ​Воск и парафин - материалы, которые вряд ли ассоциируются с такой характеристикой как прочность. Но именно с их помощью можно создавать новое поколение суставных и костных протезов, которые способны выдерживать экстремальные нагрузки.
    1373
  • 09/04/2019

    Три экспериментальные разработки томских ученых проверят на МКС

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН и РКК «Энергия» вместе с ТПУ и ТГУ готовят эксперименты, которые проведут на Международной космической станции. Как сообщили НИА Томск в пресс-службе администрации Томской области, ученые ИФПМ СО РАН и ТПУ завершили разработку конструкторской документации для изготовления российского 3D-принтера, который сможет работать в космосе и изготавливать детали из полимерного волокна на борту МКС.
    542
  • 17/07/2019

    В Томске синтезируют порошки для 3D-печати «без брызг»

    Ученые из Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Томского политехнического университета создают композитные порошки на основе титана и алюминия с добавлением упрочняющих частиц. Разработка позволит усовершенствовать печать упрочняющих покрытий и избавить композитные материалы от дефектов.
    207
  • 12/04/2019

    Томские разработки помогают исследовать космос

    ​Проект «Космический урок», спутники, передовые технологии для летательных аппаратов и даже граничащие с фантастикой идеи лунных заправок – во всем этом можно найти томский след. Ученые наших вузов и НИИ десятки лет генерируют и воплощают в жизнь уникальные идеи, делающие космос ближе и понятнее.
    737
  • 05/12/2017

    ИФПМ СО РАН получил грант на разработку оборудования и технологий для 3D-печати

    Томский Институт физики прочности и материаловедения СО РАН получил грант на разработку оборудования и технологий, в том числе цифровых для 3D-печати металлических деталей в промышленных масштабах. «В последние годы в мире развернулась беспрецедентная гонка в области 3D-технологий, и, что касается металлов, до сих пор она шла вокруг лазерных решений, — говорит директор ИФПМ Сергей Псахье.
    1361
  • 12/11/2019

    В Томске создадут новые высокотехнологичные производства

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) в кооперации с ведущими университетами и промышленными предприятиями России стал победителем конкурса на право получения субсидий для реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичных производств в рамках постановления Правительства РФ.
    161