Текст книги "Космическая технология и производство"

Автор книги: Леонид Лесков

Соавторы: Виталий Савичев,Сергей Гришин
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

С. Д. Гришин, доктор технических наук
Л. В. Лесков, доктор физико-математических наук
В. В. Савичев, доктор технических наук
КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО

ВВЕДЕНИЕ

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]1
  Массовые, или объемные, силы – это силы, которые действуют на все частицы (элементарные объемы) данного тела и величина которых пропорциональна массе.


[Закрыть], 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/с²). 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.}

Говоря о невесомости, авторы некоторых популярных статей, посвященных космической технологии, пользуются терминами «микрогравитация», «мир без тяжести» и даже «гравитационная тишина». Поскольку в состоянии невесомости отсутствует вес, но присутствуют силы тяготения, эти термины следует признать ошибочными.

Рассмотрим теперь другие условия, существующие на борту космических аппаратов при их полете вокруг Земли. Прежде всего это глубокий вакуум. Давление верхней атмосферы на высоте 200 км около 10^–6 мм рт. ст., а на высоте 300 км – около 10^–8 мм рт. ст. Такой вакуум умеют получать и на Земле. Однако открытое космическое пространство можно уподобить вакуумному насосу огромной производительности, способному очень быстро откачивать газ из любой емкости космического аппарата (для этого достаточно ее разгерметизировать). При этом, правда, необходимо учитывать действие некоторых факторов, приводящих к ухудшению вакуума вблизи космического аппарата: утечка газа из его внутренних частей, разрушение его оболочек под действием излучения Солнца, загрязнение окружающего пространства вследствие работы двигателей систем ориентации и коррекции.

Типичная схема технологического процесса производства какого-либо материала состоит в том, что к исходному сырью подводится энергия, обеспечивающая прохождение тех или иных фазовых превращений или химических реакций, которые и ведут к получению нужного продукта. Наиболее естественный источник энергии для обработки материалов в космосе – это Солнце. На околоземной орбите плотность энергии излучения Солнца составляет около 1,4 кВт/м², причем 97 % этой величины приходится на диапазон длин волн от 3 · 10³ до 2 · 10⁴ Å. Однако непосредственное использование солнечной энергии для нагрева материалов связано с рядом трудностей. Во-первых, солнечную энергию нельзя использовать на затемненном участке траектории космического корабля. Во-вторых, требуется обеспечивать постоянную ориентацию приемников излучения на Солнце. А это, в свою очередь, усложняет работу системы ориентации космического аппарата и может повести к нежелательному увеличению ускорений, нарушающих состояние невесомости.

Что касается других условий, которые могут быть реализованы на борту космических аппаратов (низкие температуры, использование жесткой компоненты солнечной радиации и т. д.), то использование их в интересах космического производства в настоящее время не предусматривается.

Поведение вещества в невесомости

Агрегатные и фазовые состояния вещества. При рассмотрении особенностей поведения вещества в космических условиях часто используются такие понятия, как агрегатное и фазовое состояния, фаза и компоненты. Дадим определение этих понятий.

Агрегатные состояния вещества различаются по характеру теплового движения молекул или атомов. Обычно говорят о трех агрегатных состояниях – газообразном, твердом и жидком. В газах молекулы почти не связаны силами притяжения и движутся свободно, заполняя весь сосуд. Структура кристаллических твердых тел характеризуется высокой упорядоченностью – атомы расположены в узлах кристаллической решетки, возле которых они совершают лишь тепловые колебания. В результате кристаллические тела имеют строго ограниченную форму, а при попытке каким-то образом изменить ее возникают значительные упругие силы, противодействующие такому изменению.

Наряду с кристаллами известна и другая разновидность твердых тел – аморфные тела. Главная особенность внутреннего строения аморфных твердых тел – отсутствие полной упорядоченности: лишь в расположении соседних атомов соблюдается порядок, который сменяется хаотическим расположением их друг относительно друга на более значительных расстояниях. Наиболее важный пример аморфного состояния – это стекло.

Тем же самым свойством – ближнего порядка в расположении соседних атомов – обладает вещество в жидком агрегатном состоянии. По этой причине изменение объема жидкости не вызывает в ней возникновения значительных упругих сил, и в обычных условиях жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится.

Если вещество состоит из нескольких компонентов (химических элементов или соединений), то его свойства зависят от относительной концентрации этих компонентов, а также от температуры, давления и других параметров. Для характеристики конечного продукта, образующегося при таком комбинировании компонентов, используется понятие фазы. Если рассматриваемое вещество состоит из граничащих друг с другом однородных частей, физические или химические свойства которых различны, то такие части называются фазами. Например, смесь льда и воды представляет собой двухфазную систему, а вода, в которой растворен воздух, – однофазную, потому что в этом случае отсутствует граница раздела между компонентами.

Фазовое состояние – понятие, основанное на структурном представлении термина «фаза». Фазовое состояние вещества определяется только характером взаимного расположения атомов или молекул, а не их относительным движением. Наличие дальнего порядка (полная упорядоченность) соответствует кристаллическому фазовому состоянию, ближнего порядка – аморфному фазовому состоянию, полное отсутствие порядка – газообразному фазовому состоянию.

Фазовое состояние не обязательно совпадает с агрегатным. Например, аморфному фазовому состоянию соответствует обычное жидкое агрегатное состояние и твердое стеклообразное состояние. Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых – кристаллическое и аморфное (стеклообразное).

Рис. 2. Диаграмма р—Т равновесия однокомпонентной системы

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или превращением. Если две или больше различных фаз вещества при данных температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, то говорят о фазовом равновесии. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма фазового равновесия однокомпонентной системы, построенная в координатах давление (р) – температура (T). Здесь изобара (т. е. прямая постоянного давления) а—а соответствует прямым переходам твердое тело – жидкость (плавление и затвердевание) и жидкость – газ (испарение и конденсация), изобара с—с – переходу твердое тело – газ (сублимация), а изобара в—в – сосуществованию всех трех фаз в так называемой тройной точке, при определенных значениях р и Т.

Влияние невесомости на жидкость. Как влияет тяготение на поведение вещества в различных агрегатных состояниях? В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, и сила тяготения не может оказать существенного влияния на процессы, происходящие в этом состоянии.

На процессы в газах эта сила может повлиять более значительно. Известно, например, что в условиях неравномерного нагревания различных слоев газа в атмосфере возникает под действием силы тяготения свободная конвекция, т. е. упорядоченный обмен газа между этими слоями. В условиях невесомости этот эффект может не возникнуть.

Но особенно сильное воздействие сила тяготения оказывает на жидкость. При переходе к невесомости в жидкости исчезает сила Архимеда, действующая на компоненты разной плотности и приводящая к их разделению, изменяется характер конвекционных течений, возрастает относительная роль межмолекулярных взаимодействий в жидкости и становится возможным ее свободное удержание вне сосуда (явление левитации). Рассмотрим по этим причинам подробнее процессы, происходящие в жидкости.

Как и в газе, в жидкости молекулы не сохраняют постоянного положения, а за счет тепловой энергии перемещаются с места на место. Если в каком-либо месте жидкости преобладают частицы одного сорта, то за счет более частых столкновений между собой они постепенно переходят в зону, где их концентрация меньше. Этот процесс называется диффузией. Вследствие диффузии за время t происходит смещение частиц на расстояние х = (2Dt)^1/2, где D – коэффициент диффузии. Если рассматривать частицы как сферы с радиусом r, то D = W · (πηr)^–1. Здесь W – тепловая энергия частиц, η – вязкость жидкости, которая сильно зависит от ее температуры. Когда жидкость охлаждается, то вязкость возрастает и соответственно замедляются процессы диффузии.

Если изменение концентрации частиц одного сорта на расстоянии Δx внутри жидкости равно Δс, то через единичную площадку в 1 с должно проходить число частиц I = – DΔc/Δx.

Жидкость может содержать несколько компонентов одновременно. Если содержание одного из компонентов мало, то такой компонент рассматривают как примесь. Если в начальный момент примесь распределена в жидкости неравномерно, то диффузионные процессы в жидкости ведут к установлению однородного распределения (гомогенизация).

В некоторых случаях жидкость может содержать компоненты разной плотности. На Земле под действием силы Архимеда постепенно происходит разделение этих компонентов (например, из молока образуются сливки и обрат). В невесомости этого разделения нет, и после затвердевания таких жидкостей могут быть получены вещества с уникальными свойствами. Жидкость может также содержать фазы, которые не смешиваются между собой, например, керосин и воду. На Земле между ними образуются четкие границы раздела. В невесомости путем перемешивания можно получить устойчивую смесь, состоящую из мелких капель той и другой фаз. После затвердевания из подобных смесей разных фаз можно получить однородные композиционные материалы, пенометаллы и т. п.

Возникновение границ раздела между различными фазами в жидкости связано с наличием силы поверхностного натяжения, или капиллярной силы, которая возникает из-за взаимодействия между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение можно уподобить силе, которая возвращает в исходное состояние струну, когда музыкант пробует оттянуть ее в сторону. Именно сила поверхностного натяжения приводит к тому, что из плохо закрытого крана падают капли, а не льется тоненькая струйка воды. Но на Земле эти капли невелики: сила тяжести много больше сил поверхностного натяжения и разрывает на части слишком крупные из них. В невесомости ничто не может препятствовать образованию весьма крупных капель, и жидкое тело, предоставленное само себе, будет принимать сферическую форму.

В действительности на борту космического аппарата из-за различного рода малых ускорений состояние невесомости нарушается. Если r – радиус сферы, форму которой принимает жидкость, то действующая на нее капиллярная сила приблизительно равна σr, где σ – коэффициент поверхностного натяжения. Величина инерционных массовых сил, действующих на жидкость, равна ρgr³, где ρ – плотность жидкости, g – малое ускорение. Очевидно, эффекты поверхностного натяжения будут играть главную роль, когда σ · (ρgr²)^–1 > 1. Этим условием определяется возможность получения в состоянии, близком к невесомости, жидких сфер с радиусом r. Такие жидкие сферы на борту космических аппаратов могут находиться в свободно плавающем состоянии, когда для их удержания не нужны сосуды. Если это жидкий расплав, то при его затвердевании на Земле со стенок сосуда поступают вредные примеси. В космосе можно обойтись без сосуда и, следовательно, получать более чистые вещества.

Тепло– и массообмен в невесомости. Существенное влияние переход к невесомости оказывает также на процессы тепло– и массобмена в жидкостях и газах. Перенос тепла может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением, а также любым сочетанием этих механизмов. Теплопроводность – это процесс переноса тепла из зоны с более высокой температурой в зону, где температура ниже, путем диффузии молекул среды между этими зонами. По этой причине коэффициент теплопроводности пропорционален коэффициенту диффузии.

Теплообмен излучением характерен главным образом для твердых и жидких тел и происходит при достаточно высоких температурах. Процессы лучистого теплообмена и теплопроводности не зависят ни от силы тяжести, ни от малых массовых сил, действующих на борту космических аппаратов.

Иное дело конвективный теплообмен. Конвекция – это перенос тепла в жидкой или газообразной среде путем макроскопического перемещения вещества этой среды. Выше уже приводился простейший пример конвекции – свободная (или естественная) конвекция, возникающая вследствие неравномерного распределения температуры в среде, подверженной действию массовых сил (например, силы тяжести или инерционных сил, вызванных малыми ускорениями на борту космического аппарата). Это явление каждый может легко наблюдать у себя дома в любых кипятильниках, когда слои жидкости, имеющие более высокую температуру и вследствие этого более низкую плотность, будут всплывать вверх и переносить с собой теплоту, а на их место, на горячее дно кипятильника, будут опускаться более холодные и плотные слои.

Относительная роль теплообмена за счет свободной конвекции и теплопроводности определяется числом Рэлея:

Здесь g – действующее на систему ускорение, L – характерный размер системы, β – коэффициент объемного расширения, ΔT – перепад температуры в среде, χ – коэффициент теплопроводности, η – вязкость среды. Отсюда следует, что в условиях, приближающихся к невесомости (g → 0), Ra → 0, и, следовательно, ролью конвекции, ведущей к эффективному перемешиванию среды, можно пренебречь.

Этот вывод имеет двоякое значение. Во-первых, уменьшается вклад конвекции в процессы теплообмена, и передача тепла осуществляется более медленным процессом теплопроводности. Во-вторых, исключение конвекционных токов в среде приводит к тому, что основную роль в массообмене будут играть не макроскопические перемещения вещества, а процессы диффузии. А это, в свою очередь, открывает возможность получения веществ, распределение примесей в которых будет значительно более однородным, чем на Земле.

Кроме свободной конвекции, существует целый ряд Других конвекционных эффектов, одна часть которых зависит от массовых сил, а другая нет. Известна также вынужденная конвекция, которая происходит под действием какого-либо внешнего фактора (например, мешалки, насоса и т. п.). В космических условиях этот вид конвекции используют, чтобы обеспечить нужную скорость отвода тепла от работающих агрегатов.

В качестве примера конвекции, не зависящей от массовых сил, укажем термокапиллярную конвекцию, которая выражается в том, что на границе жидкой фазы могут возникать и распространяться волны. Капиллярные волны обусловлены перепадами температуры, из-за наличия которых величина коэффициента поверхностного натяжения непостоянна вдоль поверхности. Этот тип конвекционного течения, очевидно, не зависит от величины g и может приводить к ухудшению однородности материалов, полученных в космических условиях. Способ компенсации вредных последствий этого эффекта состоит в уменьшении фактических перепадов температуры вдоль поверхности раздела фаз.