17.11.2018
Сантехнические ревизионные люки являются технологичными углублениями или же, иными словами, колодцами, где располагаются счётчики...


17.11.2018
Рекуператор является одним из видов теплообменного оборудования, основным предназначением которого называют возвращение тёплых...


17.11.2018
Большинство людей, решивших выполнить ремонтные работы в своей квартире или же коттедже, сталкиваются с необходимостью выбор...


16.11.2018
В последние годы всё более распространённой является инновационная методика полусухой стяжки пола, ведь она обладает большим...


16.11.2018
В настоящий момент в крупных населённых пунктах нашей страны самым распространённым видом жилплощади в новостройках считаются...


16.11.2018
Пни, которые остаются после удаления старых деревьев, изначально могут достаточно необычно выглядеть на вашем земельном наделе,...


Опыт конструирования технологического оборудования для работ на космических объектах

17.07.2018
За три десятилетия существования космической технологии как самостоятельной ветви науки создано в различных развитых странах множество экспериментальных образцов оборудования, предназначенного для реализации на борту космических объектов технологических процессов главным образом с целью проведения глубоких материаловедческих исследований, изучения протекания физических процессов в невесомости, а также для отработки и внедрения инструментария и приемов выполнения ручных операций по монтажу и ремонту космических объектов и их систем.

Беспрецедентные возможности для системных исследований и практических работ в этой области на борту строящейся в наши дни Международной космической станции (МКС) вызвали серьезный интерес ученых и инженеров разных стран, ранее не работавших в этом направлении. Накопленный за предыдущие годы опыт, успех и неудачи значительно облегчают их путь к окончательному превращению космоса в постояннодействующую научно-исследовательскую и производственную базу для получения уникального технологического продукта.

Созданную и апробированную на сегодняшний день аппаратуру для космической технологии можно условно разделить на две категории — аппаратуру для материаловедческих и металлургических исследований и для ремонтно-монтажных работ. Она решает разные задачи и, как правило, эксплуатируется в различных условиях. Соответственно по-разному должны расставляться акценты при ее проектировании и наземной экспериментальной отработке.

На аппаратуру обеих категорий распространяются общие требования к космическим приборам и устройствам: минимальные габариты и масса, динамическая прочность при транспортировке, надежность и безопасность, работоспособность в вакууме и при колебаниях температуры, совместимость с системами объекта, информативность.

Конечно, существуют некоторые различия в требованиях к служебной и научной аппаратуре, а также к аппаратуре, устанавливаемой на беспилотных и пилотируемых объектах. Эти различия касаются преимущественно частных вопросов, а основные требования для всего космического оборудования едины. На предприятиях космической отрасли в рамках СНГ были узаконены в нормативной документации технические требования к аппаратуре, процедура наземной отработки космической аппаратуры, номенклатура и методики предполетных испытаний. К сожалению, накопленный опыт в основном оседает в служебной документации, мало и отрывочно освещается в технической литературе.

Новым этапом в конструировании и наземной отработке аппаратуры является сотрудничество с космическими центрами США в рамках создания аппаратуры для МКС. Обмен опытом, естественный при сотрудничестве, неизбежно заканчивается выработкой единых подходов и нормативов, что, в частности, имело место при создании специалистами НАСА и PKK «Энергия» единого стыковочного узла по программе ЭПАС. Сейчас комплекс «Универсал» для ручной электронно-лучевой сварки (ЭЛС), созданный в ИЭС, прошел цикл испытаний в различных космических центрах США по методикам, принятым в НАСА.

Среда. У создателей аппаратуры особый интерес вызывают сугубо космические среды протекания технологических процессов, поскольку именно они являются ключевыми для разработчиков технологии и конструкторов.

Вакуум в разной степени влияет на протекание технологических процессов и работоспособность аппаратуры. Возможны варианты, когда вакуум вообще не оказывает никакого влияния, так как исследуемый процесс протекает внутри объекта в контролируемой атмосфере, например, запаянной ампуле. Иногда вакуум является вспомогательной средой (например, при нагреве ампулы с веществом в вакуумной печи сопротивления) или параметром технологического процесса (например, при нанесении покрытий методом термического испарения).

Вакуум как фактор технологического процесса характеризуется тремя параметрами — давлением, составом остаточной атмосферы и скоростью откачки.

Обычно давление на поверхности космического объекта на высоте полета выше остаточного окружающего атмосферного давления из-за наличия вокруг него собственной атмосферы, образующейся из-за утечек из гермоотсеков, выхлопных продуктов двигателей ориентации, сублимации конструкционных материалов.

Однако после первоначальной дегазации объекта и при неработающих двигателях ориентации давление приближается к атмосферному (1*10в-4...1*10в-6 Па) уже на расстоянии около 1 м от поверхности летательного аппарата. Если принять специальные меры, например, создать экран, ориентированный поперек вектора скорости объекта, давление за таким экраном может достигать 1*10в-9...1*10в-12 Па. Таким образом, при проведении экспериментов в открытом космосе принципиальных проблем с достижением вакуума практически нет.

Если технологический агрегат находится внутри вакуумированной полости космического корабля, давление в рабочей зоне определяется соотношением между поступлением газов (натекание плюс газовыделение) и пропускной способностью вакуумпроводов. В этих условиях трудно рассчитывать на высокий вакуум.

Например, анализ образцов, напыленных термическим испарением с использованием аппаратуры «Испаритель», показал, что остаточное давление в зоне расположения образцов находилось в пределах 1*10в-1...0,5*10в-2 Па. Эксперименты проводились в шлюзовой камере станции «Салют», которая имела диаметр около 800 мм и наружный люк в виде диафрагмы диаметром около 300 мм; образцы располагались примерно в 250 мм от среза люка. В первом американском эксперименте по автоматической ЭЛС давление в камере объемом 0,03 мм3 с вакуумпроводом диаметром -100 мм и длиной -300 мм также было не выше 1*10в-1 Па, так как электронный луч функционировал нормально.

При экспериментах с вакуумными печами сопротивления, где вакуум является теплоизолятором и защитной средой для нагревателей, достаточно иметь в камере давление ниже 1 Па.

Проектные расчеты подтверждают, что универсальные камеры для экспериментов, планируемые в составе специализированных технологических модулей, желательно оборудовать вакуумпроводами диаметром не менее 120...160 мм и длиной не более 500...1000 мм.

При эксплуатации в таких камерах высоковольтной аппаратуры испытания на пробой следует проводить с учетом зависимости Uпр = f(Pd) (закон Пашена), имеющей минимум при Pd = 133,3—1333 Па*см. В общем случае эта зависимость имеет вид U = f(pd) (где Uпр — пробивное напряжение; р — плотность газа; d — расстояние между электродами), что указывает на необходимость проводить испытания при нескольких значениях температуры.

В экспериментах по ручной ЭЛС проблем с качеством вакуума как технологической среды не возникало; фокусировка электронного луча и содержание газов в шве свидетельствовали о высоком вакууме в зоне сварки, несмотря на «выхлоп» и натекание из скафандра.

Некоторые технологические процессы весьма критичны с точки зрения остаточной атмосферы. В большей степени это относится к получению полупроводников и новых материалов с уникальными физическими и механическими свойствами.

Скорость откачки выделяющихся газов как один из факторов, характеризующий вакуумную обстановку, является параметром технологического процесса. Это ставит под сомнение, в частности, успешную реализацию плазменно-дуговых процессов за бортом космического объекта. Например, при подготовке эксперимента на установке «Вулкан» пробные сварки проводили в вакуумных камерах объемом 0,1; 1 и 30 м3. Подачу плазмообразующего газа каждый раз приходилось увеличивать в 2...3 раза. Перед натурным экспериментом подача газа была увеличена еще в 2,5...3 раза, но в космосе возбуждение дуги не произошло.

Вакуум, как известно, является также фактором, понижающим надежность механических систем из-за нарушения работы трущихся деталей. Для технологической аппаратуры этот вопрос, как правило, не очень актуален ввиду малых усилий и скоростей перемещения, а также небольшого числа рабочих циклов. Тем не менее, при конструировании максимально используется накопленный на предприятиях космической промышленности опыт подбора материалов для пар трения, конструкции подшипниковых узлов, специальных консистентных и твердых смазок.

Невесомость (микрогравитация) является основным технологическим параметром, на котором базируется все космическое материаловедение.

Фоновые значения ускорения силы тяжести на неманеврирующем космическом объекте составляют (1*10в-4...1*10в-6)g в зависимости от удаленности места замера от центра масс. Этот уровень повышается до (1*10в-2...1*10в-3)g при включении двигателей ориентации. Возмущающим фактором является также вибрация от работы механизмов, перемещений и действий экипажа.

Кстати, измерения параметров собственной внешней атмосферы орбитального комплекса «Мир», а также вибровозмущений и микроускорений внутри его отсеков проводятся регулярно с 1989 г. По данным остаточное давление внешней атмосферы комплекса в непосредственной близости от него в районе модулей «Квант» и «Природа» находится в пределах 5*10в-9...1*10в-8 мм рт. ст. В зависимости от вида сложных динамических операций (коррекция орбиты, разворот, стыковка транспортного корабля и др.) фоновый уровень плотности остаточной атмосферы комплекса может кратковременно (на период проведения операций) увеличиваться до 2*10в-5...2*10в-7 мм рт. ст. Следует заметить, что благодаря бесконечной скорости откачки, присущей космическому вакууму, на расстоянии 0,2...0,4 м от поверхности комплекса происходит выравнивание внешнего давления до значений, характеризуемых открытое космическое пространство (~10в-7...10в-11 мм рт. ст. на высотах 250...500 км).

Вибровозмущения на орбитальном комплексе «Мир» определяются режимами эксплуатации и техническими характеристиками штатных бортовых систем и агрегатов. Средняя мощность вибропроцессов для типичных режимов эксплуатации составляет (3...15)mg, однако в отдельные моменты она может превышать ~100тд (в основном диапазоне частот

20...75 Гц). Микроускорения внутри комплекса «Мир» составляют по отношению к g0 (гравитация на Земле) -10в-5...10в-7, но при управлении его ориентацией, поддержании неизменного положения в инерциальной системе координат, развороте и др. это соотношение увеличивается до 1*10в-3...4*10в-4.

На макроуровне эффекты, обусловленные невесомостью, проявляются уже при 10в-2g и выражаются в свободном дрейфе предметов в пространстве, «безопорности» человека, перемещении жидкостей под действием сил поверхностного натяжения и т. п.

Общими правилами конструирования являются защита аппаратуры от попадания посторонних предметов, крепление съемных элементов, наличие рукояток и поручней для оператора и т. д.

При конструировании ремонтно-монтажной аппаратуры, управляемой и перемещаемой вручную за бортом космического объекта, удержание расплава в тигле достигается с помощью капиллярных сил путем создания градиента температуры в тигле или использования капиллярных структур, например, сеток. Безопасность и точность манипуляций с рабочим инструментом оператора, снаряженного в скафандр, обеспечивает стационарное или передвижное рабочее место, оборудованное ножным якорем, поручнями, устройствами для размещения технологического оборудования и т. д. Особое внимание следует уделять фиксации на поверхности объекта временно прокладываемых кабельных сетей и гибких магистралей.

В материаловедческих экспериментах низкий уровень гравитации открывает не реализованные пока возможности для контроля с помощью слабых электрических и магнитных полей дрейфа расплава вне тигля (электромагнитные и электростатические левитаторы) и для управления формой выращиваемого монокристалла.

Эксперименты в условиях кратковременной невесомости подтверждают, что микрогравитация также расширяет возможности управления распределением в жидкости примесей, фракций и газовых включений с помощью таких известных приемов, как вибрационное или электромагнитное воздействие.

Экспериментально доказано, что на распределение микропримесей в монокристаллах существенно влияют силовые поля особо низкой интенсивности (ниже 10в-2g), возникающие в результате работы механизмов космического объекта, деятельности экипажа, свободного вращения космического объекта вокруг центра масс. Для нейтрализации таких воздействий целесообразно располагать технологическую аппаратуру вблизи центра массы объекта на виброзащитных платформах с низкой (менее 1 Гц) частотой собственных колебаний.

Минимально возможный уровень микрогравитации, по-видимому, может быть достигнут при размещении технологической аппаратуры на свободно дрейфующей платформе, соединенной с космическим объектом только гибкой связью (или даже без нее).

Эксперименты по космической технологии 1970-1990-х гг. позволили глубже изучить физику металлургических процессов в условиях микрогравитации, выработать общие подходы к конструированию технологической аппаратуры и отработать конструкции ее основных узлов.

Влияние тепловых режимов и терморегулирование технологической аппаратуры рассматриваются в нескольких аспектах, например, с точки зрения нагрева солнечной радиацией и охлаждения в тени аппаратуры, работающей на внешней поверхности космического объекта (от -70 до +120 °С при давлении ниже 1,33*10в-2 Па), и нагрева аппаратуры теплом, используемым для реализации технологического процесса. Применяемые для космической технологии высокотемпературные нагреватели по потребляемой мощности (0,5...2,0 кВт) многократно превышают любой другой агрегат или прибор на борту космического объекта.

Для аппаратуры, располагаемой на внешней поверхности объекта, используются обычные в космической технике средства — термостабилизирующие покрытия и многослойная экранно-вакуумная изоляция.

Охлаждение длительно работающей бортовой аппаратуры обычно обеспечивается подключением ее к жидкостному контуру системы терморегулирования космического объекта. Особенно сложной является проблема терморегулирования малогабаритных ручных инструментов для ремонтно-монтажных работ, автономно используемых за бортом и не связанных с системой терморегулирования космического объекта. Так, например, для ручных электронно-лучевых инструментов, разработанных ИЭС (УРИ, «Универсал»), использовался комплекс конструктивных и методических приемов ограничения нагрева:

- тепловая изоляция горячих частей инструмента (тигля, катодного узла), в результате чего достигается максимально возможный сброс тепла излучением при высоких температурах (300...1500 °С);

- использование наружной поверхности корпуса инструмента, покрытой термостабилизирующей эмалью, для сброса части тепла излучением при умеренной (ниже 100 °С) температуре;

- ограничение продолжительности включения (ПВ) инструмента (ПВ > 20 %) в соответствии с реальными физическими возможностями оператора, работающего в скафандре;

- ограничение максимальной мощности инструмента (до 1 кВт) до реально необходимой для ремонта типичных конструктивных элементов космического объекта.

Функции и структура технологической аппаратуры. Состав и конструкция технологической аппаратуры в основном определяются набором выполняемых ею функций и условиями эксплуатации.

Для аппаратуры, реализующей металлургические процессы, характерны технологии расплавления определенного участка слитка, длительное поддержание его в изотермическом или градиентном режиме и автоматизированное перемещение расплавленной зоны со скоростью несколько миллиметров в час. Из соображений безопасности и чистоты эксперимента процесс обычно осуществляется в замкнутом объеме (камере, ампуле) внутри космического объекта. Технологический процесс протекает без непосредственного участия оператора.

В аппаратуре или инструментарии для ремонтно-монтажных работ технология предусматривает локальный нагрев и расплавление металла, а также равномерное перемещение пятна нагрева вручную или с помощью механизированных приспособлений со скоростью несколько миллиметров в секунду. Процесс может сопровождаться механизированной подачей расходуемого материала в виде проволоки или ленты. Работы выполняются на наружной поверхности космического объекта с участием оператора, снаряженного в скафандр. Состав технологической аппаратуры зависит от ее функций.

Аппаратура для реализации металлургических процессов обычно содержит нагреватель (резистивный, электронно-лучевой, световой и т. д.), приспособления и оснастку (ампулу с образцом, держатель образца и т. п.), механическое оборудование (рабочую камеру, устройство для перемещения нагревателя или образца, устройство для смены образцов и т. п.).

Однако технологическая аппаратура не может функционировать без штатных систем космического объекта, обеспечивающих ее энергопитание, отвод выделяющегося тепла, вакуумирование рабочей камеры, стабилизацию космического объекта на время эксперимента, передачу телеметрической информации.

В некоторых случаях дополнительно требуются устройства, адаптирующие технологическую аппаратуру к космическому объекту. К таким устройствам относятся, например, виброзащитная платформа. Строго говоря, к адаптирующим устройствам можно отнести и вторичный источник питания, который входит в состав системы управления технологической аппаратуры и преобразует энергию, получаемую от бортсети космического объекта, в форму, необходимую для питания нагревателя и управления его мощностью.

В состав системы управления входят также блоки, обеспечивающие программирование рабочего цикла, реализацию программы, контроль параметров технологического процесса и сбор информации для передачи ее по телеметрическим каналам объекта.

Безусловно, космический объект и размещенную на нем технологическую аппаратуру следует рассматривать как единый комплекс. В современной космонавтике такие комплексы реализованы и получили название технологических модулей (например, модуль «Кристалл» станции «Мир»),

Таким образом, за 30 лет пройден путь от автономной аппаратуры для «пионерных» экспериментов, доказывающих осуществимость технологических процессов в невесомости, до специализированных модулей в составе долговременных орбитальных станций, позволяющих не только осуществлять широкие научные исследования, но и организовать полупромышленное производство материалов с особыми характеристиками.

Обобщенная структура технологического комплекса приведена в табл. 1.

По нашему мнению и опыту, составной частью такого технологического комплекса следует считать также наземный комплект технологической аппаратуры и стенд, с помощью которого оперативно выполняется контрольный эксперимент, облегчающий анализ результатов, полученных в космических условиях.

Аппаратура для ремонтно-монтажных работ, по определению, не должна быть «привязана» к конкретной точке на поверхности космического объекта, а в экстренных случаях может потребоваться даже автономность ее функционирования. Поэтому такая аппаратура не включается в технологические модули, хотя фактически также составляет единый комплекс с системами космического объекта.

Особенностью технологического комплекса, содержащего аппаратуру для ремонта и монтажа, является активное участие оператора, работающего в скафандре; оператор является неотъемлемой обязательной частью комплекса. Это дает основание считать такие комплексы разновидностью системы человек-машина. Задачу адаптации человека в скафандре к космическому объекту решают разработчики.

Адаптационными устройствами, облегчающими работу оператора в скафандре, являются постоянные и подвижные рабочие места, оборудованные якорными площадками. Для перемещения подвижных рабочих мест могут быть использованы штатные манипуляторы, имеющиеся в составе космического объекта, как это предусмотрено на корабле «Спейс Шаттл».

Примером комплексного подхода к оптимизации технологической аппаратуры и адаптации ее к возможностям человека в скафандре может служить компоновка оборудования планируемого космического эксперимента «Флагман», содержащего ручной инструмент для ЭЛ С и резки металлов, подвижное рабочее место оператора и верстак в виде барабана со сменными кассетами с обрабатываемыми образцами.

При промышленном использовании ЭЛС высокая плотность энергии, достигаемая в малом (диаметром 0,5...1,0 мм) пятне нагрева при ускоряющем напряжении около 30 кВ и более, требует точного (0,1...0,3 мм) наведения электронного луча на свариваемый стык и поддержания постоянной скорости сварки, так как остановка или замедление приводят к прожогам. Опыты, проведенные с помощью фотооптического имитатора электронного луча, показали, что человек в скафандре неспособен выполнить вручную операции с такой точностью и плавностью перемещений инструмента. В то же время эксперименты по сварке на стенде с фрагментом скафандра доказали, что при снижении плотности энергии примерно на порядок (диаметр пятна нагрева 2...3 мм) человек способен не только выполнить непрерывный шов, но и управлять фокусировкой луча, изменяя расстояние от инструмента до образца. Такую «плохую», по земным понятиям, фокусировку вполне обеспечивает простейшая электронно-лучевая пушка диодного типа с прямонакальным катодом и электростатической фокусировкой, работающая при этом на малых (в пределах до 10 кВ) ускоряющих напряжениях. Это позволило создать простейший по конструкции, надежный и компактный инструмент, работающий без жесткого рентгеновского излучения и не требующий сложной системы управления.

Длительные сроки пребывания и функционирования технологической аппаратуры на борту космического объекта заставляют заранее заботиться о ее модернизации. Решить проблему модернизации и обеспечения ремонтопригодности позволяет блочно-модульное исполнение. Например, установка для материаловедческих исследований «Карат» изначально комплектуется нагревательными элементами (печами) шести типов, предусмотрена возможность применения других нагревательных устройств и наращивание системы управления на базе собственной микроЭВМ. Установка для ремонтно-монтажных работ «Универсал» комплектуется четырьмя типами рабочих инструментов — для нагрева, сварки и резки; для сварки и пайки с подачей присадки; для нанесения покрытий испарением металла из тиглей и испарением присадочного материала. Каждый инструмент содержит типовой электронно-лучевой нагреватель и необходимую оснастку. Существуют также разработки специализированных инструментов для сварки неповоротных стыков труб, для наложения заплат сваркой по контуру и др.

Таким образом, путь от научного обоснования до реализации технологического процесса на борту космического объекта весьма труден и долог. Процедура организации и проведения космического эксперимента основана на нормативных требованиях, существующих в космической отрасли (табл. 2), но некоторые этапы по содержанию не характерны для систем космических объектов и обусловлены спецификой уникальной технологической аппаратуры, что делает ее еще дороже. Тем не менее, опыт показывает, что «перепрыгивание» через этапы резко повышает вероятность срыва научной программы и может грозить опасными последствиями для космического объекта и его экипажа.






Выводы


1. Уточнены истинные значения факторов космического полета и технические требования к технологической аппаратуре с учетом их воздействия.

2. Понята необходимость и накоплен опыт создания на борту космического объекта комплексов, включающих специальную технологическую аппаратуру, штатные системы объекта, космонавта-оператора как часть системы человек-машина, а также вспомогательные устройства, адаптирующие аппаратуру к космическому объекту и возможностям космонавтов.

3. Осознана потребность и наработан опыт использования сменных исполнительных органов и специальной оснастки для расширения возможностей технологической аппаратуры.

4. Разработана и проверена процедура испытаний технологической аппаратуры, гарантирующая ее надежность и безопасность с учетом специфики использования. Эта процедура приемлема и для аппаратуры.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: