Технологические аспекты сварки в космосе

Освоение околоземного пространства предполагает изготовление и сборку мощных орбитальных станций и платформ непосредственно в космосе. Такие проекты разрабатываются в России и в США. Например, платформы в виде ферменных конструкций длиной более 100 м и массой в несколько тонн не могут быть доставлены на орбиту одной ракетой. Доставка возможна только в виде отдельных узлов, которые затем монтируются на месте, т. е. в космосе. Для этого наряду с другими способами используют сварку, которая так же, как пайка и термическая резка, необходима при ремонте предназначенных для длительного срока службы конструкций. В связи с этим возникает целый ряд новых научно-технических проблем. Например, следует выяснить такие вопросы: внешнюю форму конструкций; способы, механизмы, аппараты и пр., необходимые для их изготовления и монтажа; технику безопасности; особенности, которые необходимо учитывать при сборке и эксплуатации конструкций.

В России этими вопросами начали заниматься более 25 лет назад. И целый ряд проблем уже решен. Результаты исследований позволили сделать вывод, что и в космосе можно получить безупречные соединения. Далее речь пойдет о некоторых технологических, физических и материаловедческих аспектах.

Технологические, физические и материаловедческие проблемы. Космос как рабочую среду характеризуют четыре признака.

Невесомость. Она подавляет подъемную силу, конвекцию и целый ряд других физических эффектов. Сказывается также, например, на плотности материалов и их фаз, оказывает большое влияние на поверхностное натяжение жидкостей. При сварке в космосе космонавту нельзя опереться, как на Земле, что существенно затрудняет сборку и сварку.

Вакуум. Следует исходить из того, что крупногабаритные орбитальные станции сооружаются с учетом давления 10в-2...10в-4 Па. Этот диапазон давлений освоен при электронно-лучевой и диффузионной сварке. Однако космический вакуум отличается чрезвычайно быстрой, почти «бесконечной» скоростью откачки и очень высоким (до 80 %) содержанием атомарного водорода. Работать приходится в скафандрах, что доставляет дополнительные трудности.

Температура. Разница в диапазоне температур на солнечной стороне и в тени довольно большая. Это означает, что конструкции подвергаются воздействию температур примерно между -120 и +220 °С. Ослабленные в космосе тепло- и массообмен приводят к тому, что лежащие вблизи друг от друга зоны одной детали могут иметь большой перепад температур.

Жесткое ионизирующее ультрафиолетовое облучение. В ходе продолжительного воздействия оно ухудшает свойства материалов и сварных соединений. Оказалось, что в космосе можно применять различные способы сварки, пайки, термической резки и напыления, причем каждый имеет свои достоинства и недостатки. На первый взгляд, наряду с напылением перспективными кажутся методы сварки и резки в твердой фазе (сварка взрывом, диффузионная и холодная сварка давлением; резка взрывом). Однако они требуют тщательной разделки кромок и подгонки поверхностей стыков, поэтому в космосе до сих пор не применялись. При определенных обстоятельствах можно использовать резку взрывом, однако, по причинам безопасности, только на беспилотных кораблях. Чрезвычайно благоприятным оказался электронный луч, который можно использовать не только для сварки, но и для пайки, резки и напыления. Вследствие его универсальности, высокой надежности и высокого КПД он не имеет в космосе сейчас конкурентов. Однако не исключено, что в будущем это изменится.

Процессы сварки и термической резки в космосе отличаются от протекающих на Земле прежде всего тогда, когда появляются жидкие фазы. Молекулы жидкости, кроме кинетической (химическая и тепловая энергия) энергии Ек, обладают еще и потенциальной энергией Eg, зависящей от силы тяжести, которая значительно ниже кинетической. Для многих физических явлений на «молекулярном уровне» (поверхностное натяжение, сцепление, смачивание, капиллярное давление) энергетические характеристики сравнимы с потенциальной энергией. Поэтому эти явления в полях низкой гравитации протекают гораздо интенсивнее, чем на поверхности Земли. В невесомости при сварке преобладает поверхностное натяжение и смачивание. На рис. 1 показан общий случай взаимодействия между жидким металлом и твердой фазой, а также образующимися парами металла. На элемент на поверхности раздела длиной dl действуют силы

где оп-ж, от-ж, от-п — коэффициенты поверхностного натяжения на границах жидкость-собственный пар (п), жидкость-твердое тело (т) и твердое тело-пар. Соотношение этих сил зависит от распределения температур на поверхностях раздела фаз. Если на границах твердое тело-жидкость и твердое тело-пар величина с не зависит от температуры, то на границе жидкость-собственный пар значение коэффициентов поверхностного натяжения определяется в основном температурой. Зависимость оп-ж от температуры приближенно описывается уравнением

причем р — плотность жидкости; M — ее молекулярная масса; k — константа. Видно, что (dоп-ж/dT) < 0. Если вдоль поверхности раздела жидкость-собственно пар градиент температур dT/dl, то получается градиент поверхностного натяжения:

Он приводит к появлению градиента силы поверхностного натяжения dFп-ж/dT, вектор которой направлен в сторону понижения температуры и инициирует массообмен v (рис. 2).

Другое распределение сил имеет место на поверхности раздела жидкость-твердое тело. В этом случае сила сцепления пропорциональна свободной энергии Еж. Изменение этого параметра в соотношении с единицей поверхности описано уравнением

Поскольку от-ж и от-п не зависят от температуры, а оп-ж с увеличением температуры уменьшается, то на поверхности раздела жидкость-твердое тело при наличии температурного градиента возникает градиент свободной энергии dEж/dT. Это приводит к возникновению градиентов сцепления dFа/dl. Значение и направление силы сцепления зависит от соотношения оп-ж, от-ж и от-п, которое определяется краевым углом о:

В области п>v>п/2 (несмачивание) вектор этой силы (как на поверхности раздела жидкость-пар) направлен в сторону более низкой температуры и изменяется от максимального значения (при п) до нуля (при п/2) (рис. 2, а). Между 0