Космическая технология и производство

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], 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 g₀ (g₀ — 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 g₀. Ускорения, возникающие вследствие различной деятельности космонавтов, лежат в диапазоне 10–5 — 10–3 g₀.

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.

Космические аппараты и специальное оборудование для космического производства

Оборудование для космических экспериментов. Говоря о проблеме производства в космосе новых материалов, обычно имеют в виду пять направлений исследований и разработок:

1. Космическая металлургия.

2. Полупроводниковые материалы.

3. Стекло и керамика.

4. Медико-биологические препараты.

5. Исследование физических эффектов в условиях невесомости.

Первые четыре направления непосредственно нацелены на получение новых или улучшенных материалов и изделий на борту космических аппаратов (КА). Задача пятого направления состоит в развитии науки о поведении вещества в космических условиях с целью создания теоретических основ космического производства.

Проведение исследований во всех этих направлениях требует разработки специальных бортовых установок. Поэтому перед тем как перейти к разбору конкретных направлений, целесообразно рассмотреть, как обстоит дело с созданием специального оборудования для космических экспериментов. При этом мы ограничимся в данном разделе рассмотрением наиболее универсальных типов установок, которые могут быть использованы для решения ряда различных задач. Про те экспериментальные установки, которые имеют более узкое назначение или предназначены для выполнения конкретных исследований, удобнее рассказать, обсуждая сами эти исследования.

Для всех практических направлений, за исключением получения биологических препаратов, основная схема производственного процесса состоит в следующем. Исходный материал (сырье) подвергается на борту КА тепловой обработке, плавится или испаряется. Затем он затвердевает. Поскольку этот процесс происходит в условиях невесомости, то в соответствии с анализом, выполненным в предыдущей главе, можно ожидать улучшения характеристик конечного продукта. По этим причинам основной вариант технологического оборудования для обработки неорганических материалов — это нагревательные установки различных типов.

Для нагрева исходного материала можно использовать тепло экзотермических реакций[2]. Типичный нагреватель такого типа состоит из цилиндрического патрона, заполненного смесью химических веществ, и ампулы с исследуемым материалом, которая размещается по оси патрона. Для инициирования химической реакции обычно используется маломощный электрический импульс. Преимущество подобных установок состоит в том, что в них за сравнительно малые времена (секунды или десятки секунд) могут быть получены достаточно высокие температуры. Поэтому такие нагревательные установки находят применение в первую очередь в тех случаях, когда продолжительность состояния невесомости ограничена.

Другая разновидность нагревательных устройств для обработки материалов — электронагревные печи. Известно несколько конструктивно различных вариантов таких печей. В рабочей зоне изотермической печи поддерживается температура 1200–2400 °C. Для снижения расхода электроэнергии эта зона окружена многофольговой изоляцией, изготовленной из специальных материалов.

Для выращивания кристаллов необходимо, чтобы в печи имелась зона с перепадом температуры. На рис. 3 представлена одна из возможных схем установок подобного типа. Через зону с перепадом температуры протягивается ампула, содержащая исследуемое вещество. В точке, где достигается температура плавления, сырье плавится, а когда расплавленный материал попадает в область более низких температур, он начинает кристаллизоваться. Существующие установки такого типа обеспечивают температуру 1050–1150 °C, в проектируемых установках предполагается поднять ее до 2000 °C.

Рис. 3. Схема выращивания монокристаллов из расплава (1 — расплав; 2 — затравочный кристалл; 3 — механизмы вытягивания и вращения; 4 — шток; 5 — тигель; 6 — индуктор для нагрева расплава)

Недостаток установок подобной изображенной на рис. 3 состоит в том, что со стенок ампулы (тигля) в расплав могут поступать примеси, загрязняющие получаемый материал и ухудшающие его качество. На рис. 4 показана схема электронагревной печи, в которой использован метод зонной плавки, позволяющий частично устранить этот недостаток. В этой установке вещество также подвергается переплаву в зоне с перепадом температуры, но при этом оно не контактирует непосредственно со стенками ампулы. Нагрев может осуществляться с помощью токов высокой частоты, источников инфракрасного излучения или дуговых источников света, снабженных фокусирующими зеркалами и т. д. В последнем случае ампула изготавливается из прозрачного материала, например из кварца. Метод зонной плавки позволяет также обеспечить получение более высоких температур. Расплавленное вещество не касается стенок тигля и удерживается силами поверхностного натяжения. Поэтому максимальные размеры зоны определяются из условия баланса действующих на расплав массовых сил и сил поверхностного натяжения. Массовые силы на борту КА, обусловленные малыми ускорениями, много меньше силы тяжести. Это означает, что размеры расплавленной зоны в космических условиях и соответственно размеры кристаллов, получаемых в таких установках, могут быть значительно больше, чем на Земле.

Рис. 4. Метод зонной плавки (1 — расплавленная зона; 2 — индуктор; 3 — стенка печи; 4 — ампула; 5 — стержень исследуемого вещества; 6 — механизм протягивания и вращения стержня)

На рис. 5 представлена схема выращивания кристаллов из паровой фазы. Ампула размещается в печи с перепадом температуры таким образом, чтобы исходный материал оказался в горячей зоне. Массоперенос осуществляется в паровой фазе, а на холодном конце ампулы происходит его конденсация с образованием кристаллов. Парофазные методы используются, например, для получения эпитаксиальных пленок, которые широко применяются в электротехнике.

Эпитаксия — это осаждение монокристаллических пленок на монокристаллической подложке. Эпитаксиальная пленка как бы повторяет структуру подложки и представляет собой нечто вроде двумерного кристалла. Ее совершенство определяется, в частности, процессами конвекции в паровой фазе. Конвекция ведет к неконтролируемым условиям на поверхности растущего слоя и в конечном счете к дефектам кристаллической решетки. В космосе можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и соответственно на повышение качества получаемых материалов.

Рис. 5. Схема выращивания кристаллов из паровой фазы

Ранее отмечалось, что в космических условиях возможно бесконтейнерное удержание жидкостей. Установки, в которых осуществляется этот процесс, называются левитаторами. Поскольку на борту КА действуют ускорения порядка 10–5 — 10–4 g₀, в левитаторах должны быть приняты меры по удержанию свободно плавающей жидкости в центре рабочей камеры. Для этой цели можно использовать ультразвуковые поля, аэродинамическое удержание или переменное электромагнитное поле. Последний метод пригоден лишь для проводящих материалов и не годится, например, для работы со стеклом. Нагрев материалов в левитаторе можно осуществить с помощью оптических нагревателей, токов высокой частоты, электронных пучков и т. д. Установки этого типа, очевидно, отличаются особой сложностью, но позволяют практически реализовать такое важное преимущество производства материалов в космосе, как их бесконтейнерная обработка. Левитаторы разных типов в настоящее время находятся в стадии разработки.

Эксперименты в области космической технологии. Впервые технологические космические эксперименты были осуществлены в 1969 г. в Советском Союзе. С этой целью в Институте электросварки им. Е. О. Патона была разработана специальная установка «Вулкан», предназначенная для изучения и отработки методов сварки и резки металлов на борту космических аппаратов. Установка «Вулкан» была размещена на борту космического корабля «Союз-6», и 16 октября 1969 г. экипаж корабля — летчики-космонавты СССР Г. С. Шонин и В. Н. Кубасов — успешно провели ее испытание.

В 1973–1974 гг. серия технологических экспериментов была осуществлена на американской космической станции «Скайлэб». Для проведения этих экспериментов в США была разработана специальная установка для обработки материалов. Эта установка включала в себя вакуумную камеру, электронную пушку для плавки образцов, электронагревную печь и другое оборудование. Разработанная для станции «Скайлэб» универсальная печь обеспечивала максимальную температуру 1050 °C и позволяла работать в различных температурных режимах (постоянная высокая температура, перепад температуры по длине ампулы, программированное охлаждение). Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались в печи космонавтами.

Следующим шагом на пути развертывания работ в области технологических экспериментов в космосе явилась совместная советско-американская программа «Союз» — «Аполлон» (ЭПАС). Во время полета этих кораблей в июле 1975 г. с помощью модифицированной электронагревной печи и установок для исследования методов получения чистых медико-биологических препаратов был осуществлен ряд новых технологических экспериментов.

Проведение технологических экспериментов было включено также в программу исследований на советской космической станции «Салют-5». С этой целью был разработан специальный комплект приборов — «Кристалл», «Диффузия», «Поток», «Сфера», «Реакция» (рис. 6), предназначенный для исследования широкого круга вопросов в области наук о веществе в космосе, а также для отработки методов пайки в космических условиях.

Технологические эксперименты с этими приборам были успешно выполнены в июле — августе 1976 г. летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым и В. М. Жолобовым и в феврале 1977 г. — В. В. Горбатко Ю. Н. Глазковым.

Наряду с исследованиями, проводившимися на борту пилотируемых космических станций и кораблей, как в Советском Союзе, так и в США технологические эксперименты осуществлялись в автоматическом режиме при запусках высотных ракет.

Отличительная черта этих экспериментов — сравнительно ограниченная продолжительность состояния невесомости (5–7 мин на американских ракетах, около 10 мин — на советских). Поэтому для проведения таких экспериментов в Советском Союзе разработаны установки, в которых для плавления образцов используется тепло экзотермических реакций.

На американских высотных ракетах применяется электронагревательная ампульная печь, которая не может обеспечить столь же быстрого разогрева заготовок и которую поэтому приходится включать заблаговременно, до старта ракеты.

Исследования на высотных ракетах позволяют выполнять космические эксперименты более оперативно и на более простом оборудовании, и поэтому их следует рассматривать как полезное дополнение к работам на космических станциях и кораблях.

Рис. 6. Приборы для проведения технологических экспериментов на станции «Салют-5» (а — прибор «Кристалл»; б — прибор «Реакция»)

Космические аппараты и технологические модули. Перспектива развития работ в области технологии обработки материалов в космосе состоит в том, что от экспериментальных исследований будет осуществлен постепенный переход к полупромышленному производству на борту КА некоторых материалов, а затем и к производству в промышленном масштабе. Согласно зарубежным оценкам, можно ожидать, что к 1990 г. грузопоток продукции космического производства, а также необходимого оборудования достигнет нескольких десятков тонн в год.

Создание в СССР долговременной орбитальной станции «Салют» и экономичной системы ее транспортного обеспечения с помощью пилотируемых кораблей «Союз» и автоматических кораблей «Прогресс» открывает новые большие возможности для проведения технологических экспериментов, отработки необходимого оборудования, а также анализа технологических процессов в условиях длительной невесомости.

Разработка и совершенствование орбитальных пилотируемых комплексов, предназначенных для решения задач научного и прикладного характера, как известно, является магистральным направлением развития отечественной космонавтики. Одна из основных задач связана при этом с развитием наук о поведении вещества в условиях невесомости и с обеспечением потребностей производства материалов в космосе.

В рамках этой программы в Советском Союзе был осуществлен самый длительный в истории космонавтики полет орбитального научно-исследовательского комплекса «Салют-6» — «Союз», продолжавшийся 96 суток и успешно завершенный 16 марта 1978 г. На борту этого комплекса летчики-космонавты СССР Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко, А. А. Губарев и летчик-космонавт ЧССР В. Ремек осуществили новые важные технологические эксперименты.

В дальнейшем, по мере возрастания грузопотоков, средства снабжения орбитальных научных комплексов будут совершенствоваться. Появятся новые грузовые корабли для доставки оборудования, приборов и заготовок из различных материалов на борт орбитальных комплексов. Изделия и материалы, полученные в космосе, будут доставляться в космос и возвращаться на Землю с помощью (многоразовых космических кораблей. В состав орбитальных комплексов будут входить специализированные технологические модули.

Некоторые технологические операции в космосе, например получение материалов сверхвысокой чистоты, требуют обеспечения глубокого вакуума. С этой целью в сочетании с ДОС можно использовать так называемый молекулярный экран, который с помощью специальной штанги размещается на расстоянии около 100 м от корабля. Диаметр экрана — 3 м.

Поскольку скорости теплового движения молекул остаточного газа меньше скорости поступательного движения корабля вместе с экраном по орбите (8 км/с), за экраном возникнет зона повышенного разрежения. Давление остаточного газа в этой зоне будет порядка 10–13 — 10–14 мм рт. ст.