Насчет того, КАК строить -технология может быть самая разная - вот например:
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭПОКСИДНОГО ПЛАСТИКА В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
1http://www.icmm.ru/pubs/book3/w1r.html
Кондюрин А.В.1 , Брискман В.А.2 , Ковров В.Н.2, Селиванов Е.И.2
1Институт технической химии УрО РАН, Пермь, Россия
2Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
Введение
В настоящее время создание искусственных спутников Земли и других искусственных космических объектов (ИКО) происходит по пути транспортировки в космос готовых к эксплуатации модулей. Размеры и вес таких модулей ограничен возможностями ракеты - носителя по доставке искусственного объекта в открытое космическое пространство (ОКП). Развиваемые в настоящее время технологии создания больших орбитальных станций путем стыковки отдельных блоков [1] требуют многократных запусков ракет - носителей, наличия системы управления на каждом стыкуемом модуле или сопровождения управляемым космическим кораблем, а так же дорогостоящей и рискованной операции стыковки. Увеличение числа станций и их размеров в будущем поставят эту проблему более остро.
Один из возможных выходов может быть найден при использовании технологии создания ИКО непосредственно в ОКП. Частично, по такому пути идут при развертывании антенн телескопов и солнечных батарей на долговременных космических станциях. Предложен ряд технологий развертывания крупногабаритных блоков станций в ОКП [2, 3]. В настоящее время известны положительные результаты использования сварки металла и образования клеевых полимерных соединений, полученных в ОКП при ремонтных работах на орбитальных станциях [4]. Однако, эти технологии не используются при создании крупногабаритных конструкций. Основная проблема таких технологий связана с необходимостью присутствия человека при проведении каждой единичной операции, что в условиях ОКП достаточно сложно [1].
Данные трудности могут быть преодолены, если бы удалось перенести в открытый космос хорошо известную технологию полимеризации композиционных полимерных материалов на основе волокнистого наполнителя и реакционноспособного связующего [5]. Для реализации такой технологии на Земле готовится ткань пропитанная связующим с большим временем живучести. В сложенном состоянии такая ткань (препрег) может быть вывезена в контейнере на орбиту и в течение времени живучести связующего сохраняться в сложенном состоянии на борту станции. В нужное время препрег выносится за борт станции в ОКП, разворачивается и создаются условия для быстрого проведения реакции полимеризации связующего (например, повышенная температура). После окончания реакции полученный корпус ИКО приобретает жесткость и может быть использован либо для наполнения его аппаратурой и системами жизнеобеспечения космонавтов, либо для иных целей.
Такая технология изготовления корпусов ИКО имеет ряд существенных преимуществ. Не используются сложные механические конструкции с герметизацией стыков и т.п. Ограничения объема корпуса практически отсутствуют. Изготовление такого корпуса не требует постоянного присутствия человека. Развертывание препрега может быть также реализовано автоматически из контейнера по заданной программе без участия оператора, что вообще исключает необходимость выхода оператора в ОКП. Кроме околоземных орбит данная технология может быть реализована при создании баз на других космических телах таких, как Луна, Марс, астероиды и другие. Это может быть очень существенно для удаленных от Земли космических тел, когда транспортировка крупногабаритных готовых модулей становится очень дорогой или даже невозможной.
Процесс полимеризации в космосе проводился для ряда материалов в условиях невесомости внутри космической станции. Эксперименты показали, что в этом случае реализуются иные, чем на Земле, условия тепломассообмена вследствие микрогравитации [6, 7]. Однако, до сих пор в ОКП не проводилась полимеризация композиционных материалов и, тем более, создание корпусов станций по такой техологии. Дело в том, что условия отверждения полимерных композиционных материалов в ОКП значительно отличаются от обычных земных условий формирования изделий. Кроме микрогравитации основными специфическими факторами ОКП, способными влиять на процесс отверждения полимеров являются:
1. Вакуум;
2.Резкие перепады температур в зависимости от освещенности поверхности Солнцем;
1.Эрозионное действие различных видов космических излучений.
2.На других космических телах влияние на процесс полимеризации может оказать специфическая атмосферы планеты.
Все эти факторы в общем случае отрицательно сказываются на процессе отверждения полимерных материалов, ограничивают выбор рецептуры и усложняют технологию формирования изделия из композиционных материалов.
Наличие вакуума ограничивает выбор типа связующего. Олигомер и его отверждающие агенты не должны иметь низкую молекулярную массу для исключения возможности возгонки и нарушения стехиометрического соотношения компонентов. Реакция полимеризации не должна происходить с выделением газообразных продуктов даже в небольших количествах для исключения образования газовых включений в материале, что может значительно уменьшить прочность корпуса ИКО. Экзотермический выход реакции должен быть небольшим, так как теплопередача в вакууме происходит только за счет излучения и не может регулироваться дополнительно.
Изменения температуры препрега во время отверждения вызывают резкое изменение скорости реакции полимеризации и возникновение внутренних напряжений в отвержденном материале. Это приводит к уменьшению прочности корпуса ИКО из такого материала. Уменьшение температурных колебаний возможно за счет вращения корпуса станции во время отверждения связующего, либо проведение процесса отверждения в тени при нагреве препрега за счет внутренних нагревателей.
Эрозионное действие потоков заряженных частиц и нейтральных атомов проявляется в основном на околоземных орбитах. На удаленных орбитах и космических телах не имеющих атмосферы эрозия поверхности полимерного материала вызывается только космическим излучением. Эрозия приводит к возникновению дефектов поверхностного слоя материала, потере массы и падению прочности. Но одновременно с этим потоки заряженных частиц и различные виды излучений вызывают также сшивку макромолекул полимерных материалов и способствуют процессу отверждения. Следовательно, для ряда полимерных связующих следует ожидать конкурирующих процессов эрозии материала и ускорения процесса полимеризации под действием плазмы ОКП.
Микрометеоритная защита для препрега практически не нужна, так как в этом случае ударное воздействие микрометеоритов на неотвержденный материал не будет приводить к распространению трещин и образованию сколов.
Данным условиям вполне удовлетворяют углеволокнистые эпоксидные пластики, имеющие широкое применение в космической технике для изготовления корпусов ИКО. Рассмотрим влияние некоторых факторов ОКП на эпоксидные материалы в процессе их отверждения.
Эксперимент
Для экспериментов использовалась эпоксидиановая смола ЭД-20 (ММ=320-430). Перед использованием смола вакуумировалась в течение 48 часов при давлении 10
-1-10
-3 Па. Для отверждения использовался полиэтиленполиамин и триэтаноламинтитанат в соотношении к смоле 1:10. В качестве наполнителя использовалось углеродное волокно УВ-1, а также углеткань марки УУТ-2. Для испытаний на прочность готовился препрег из жгута углеволокна с длиной рабочей области 10 мм пропитанный связующим. Диаметр жгута с отвержденной матрицей составлял 1 мм. После отверждения концы жгута заливались в формы для захвата в разрывной машине. Прочность отвержденного материала определялась на разрыв при скорости подвижного захвата см/мин.
Для оценки влияния эрозии материала в околоземном пространстве использовалась плазма тлеющего разряда в среде остаточного воздуха при давлении 0.5 мм рт.ст. Рабочее напряжение разряда составляло 900 В, ток разряда 20 мА, диаметр реактора составлял 0.15 м. Для определения коэффициента эрозии в потоке ионов использовался ионный источник "Пульсар" (ИЭФ УрО РАН, Екатеринбург), который позволял получать поток ионов азота с энергией 20 кэВ, при плотности тока в импульсе 5 мА/см
2 [8]. Коэффициент эрозии определялся для неотвержденной смолы без отвердителя.
Для изучения влияния отрицательных температур в отверждаемый материал вводились медь-константановые термопары, препрег через выведенные концы углеволокна подключался к дополнительному источнику постоянного тока и располагался на открытом воздухе при температуре -30 и -20
С. При получении контрольных образцов для нагрева использовался термошкаф LP-403/2 (Венгрия).
Результаты и обсуждение.
Эрозионное действие плазмы и ионного потока на полимерные материалы выражается в потере массы материала, образовании дефектов на поверхности материала, карбонизации поверхности с образованием сильно сшитой трехмерной структуры в поверхностном слое полимера на толщину пробега заряженных частиц плазмы и, как следствие, падении прочности материала. В основе этого лежат процессы деструкции макромолекулы полимера при передаче энергии бомбардирующей частицы атомам макромолекулы. Для жидкого неотвержденного связующего находящегося в вакууме процесс эрозии более заметен, чем для сшитого материала, поскольку большая часть продуктов деструкции возгоняется в вакууме из-за малой молекулярной массы. Так, потери массы неотвержденной эпоксидной смолы в потоке ионов соответствуют коэффициенту эрозии 13000 10
-24 см
3/атом, тогда как для отвержденного эпоксидного материала коэффициент эрозии составляет 2-3 10
-24 см
3/атом [9]. Это соответствует потерям неотвержденного эпоксидного связующего в течение 2 часов в таком же обьеме, как для композиционного материала около года на околоземной орбите.
Прочность образцов композиционного материала падает под действием плазмы тлеющего разряда (Табл.1). Пересчитывая поток частиц в плазме тлеющего разряда в поток частиц на орбите Земли на высотах 200-300 км характерных для полетов космических кораблей и станций [4] можно оценить соответствующее время экспозиции (Табл.1). Данные времена экспозиции характерны для проведения реакции полимеризации без учета и с учетом времени на развертывание препрега в ОКП. Отмеченное падение прочности становится заметным в случае длительного пребывания материала в неотвержденном состоянии в условиях ОКП. В случае быстрого развертывания прочность материала может сохраниться прежней без значительного эрозионного влияния потока частиц. В случае использования неотвержденного препрега в дальнем космосе время допустимой экспозиции возрастает на 2 порядка величины. Таким образом, эрозионное действие потока частиц даже на низких земных орбитах незначительно влияет на прочность отверждаемого в ОКП материала.
Другой проблемой отверждения эпоксидных композиционных материалов является поддержание стабильной температуры при которой происходит реакция отверждения. Обычно для эпоксидных композиционных материалов используются температуры в диапазоне от 80 до 150
С. При данных температурах реакция управляемая, не вызывает деструкцию материала и не происходит накопления внутренних напряжений при остывании материала до температур эксплуатации. Корпус станции в ОКП претерпевает циклический нагрев на солнечной стороне до температур +120
С и охлаждение в тени до -90
С [10]. Соответственно, температура препрега развернутого на солнечной стороне будет достаточна для проведения реакции полимеризации без дополнительного нагрева. Такая ситуация возможна при полете орбитального комплекса по орбите с большим экстринситетом или по орбите перпендикулярной плоскости эклиптики. Но такие случаи не всегда реализуемы. Обычно полет станции проходит на небольшой высоте по орбите близкой к плоскости эклиптики, что вызывает постоянные смены температуры.
Уменьшить колебания температуры корпуса станции и отверждаемого препрега можно путем вращения всего комплекса. Если станция претерпевает постоянное достаточно быстрое вращение, то поверхность корпуса будет иметь температуру +5-7
С [11]. В этом случае, требуется дополнительный нагрев препрега до температуры протекания реакции отверждения. Наиболее простой способ нагрева препрега предполагает использование проводимости самого углеродного волокна. Источник электрического тока может быть подключен как к отдельным специально вплетенным изолированным углеволокнам, либо ко всем углеволокнам препрега при использовании специальных типов намотки для исключения короткого замыкания. Такой метод нагрева препрега известен при технологии композиционных материалов и в земных условиях. Однако, он мало применяется из-за сложного контроля температуры и необходимости применения специальных методов подключения углеволокон к источнику тока. В условиях ОКП данная технология должна быть наиболее экономична.
Нагрев препрега до температуры начала реакции отверждения требует сравнительно небольших энергетических затрат. Предварительные оценки затрат энергии на полимеризацию корпуса станции в виде цилиндра диаметром 10 м и длиной 20 м при температуре 400 К без учета нагрева солнечным и земным излучением составляют около 7 кВт час. В реальности в зависимости от орбиты станции и удаленности от Земли и Солнца затраты энергии на полимеризацию препрега будут гораздо меньше. Такое производство энергии могут обеспечить энергетические установки уже сейчас действующие на орбитальных станциях.
Для оценки влияния низких температур при полимеризации эпоксидного материала был проведен эксперимент по отверждению жгута углеволокна пропитанного эпоксидной смолой с отвердителем. Отверждение материала проводилось на открытом воздухе при температуре окружающей среды -20 и -30
С. Температура реакции достигалась за счет электрического нагрева волокна. Значения прочности отвержденного материала приведены в Таблице 2. Как видно из результатов эксперимента, прочность материала полученного в таких условиях не уступает прочности материала полученного по обычной технологии с использованием нагрева препрега в термошкафе. Соответственно, отверждение композиционного материала на основе эпоксидной матрицы возможно при низких температурах окружающей среды за счет нагрева углеволокна.
Таким образом, проведенные эксперименты показали возможность использования технологии полимеризации композиционных материалов в условиях ОКП. Однако, для более определенного ответа на вопрос о возможности применения данной технологии необходимо проведение модельных экспериментов по отверждению композиционных материалов непосредственно за бортом космической станции в ОКП.
Таблица 1. Прочность композиционного материала после обработки в плазме тлеющего разряда в течение процесса полимеризации.
Время обработки Расчетное время экспозиции на орбите P, МПа DP, МПа
без обработки - 57.5
25 минут 2 часа 57 мин 40.5
48 минут 5 часов 40 мин 26.8
Таблица 2. Прочность композиционного материала, отвержденного при отрицательной температуре окружающей среды.
Температура окружающей среды P, МПа DP, МПа
+60
С 171
-20
С 168
-30
С 184
Литература
1. Космические аппараты. Под ред. К.П.Феоктистова - М.: Воениздат, 1983, 319 стр.
2. а.с. SU1819830.
3. а.с. SU1821433.
4. М.Н.Гиббинс, П.Г.Стерн, Аэрокосмическая техника, №10, 1989 (Aerospace America, N3, 1989, P.32-33).
5. E.P.Plueddemann, Ed., Interfaces in Polymer Matrix Composites, Academic Press, New York, London, 1974.
6. G.S.Nechitailo, A.L.Mashinsky, Space Biology. Studies at orbital Stations, Moscow, Mir, 1993, 503.
7. V.Briskman, et.al., Microgravity quarterly, 5, N2, 1995, P.59-65.
8. N.V.Gavrilov, G.A.Mesyats, S.P.Nikulin et al., J. Vac. Sci. Technol., A14(3), 1996, P.1050-1055.
9. Z.A.Iskanderova, J.I.Kleinman, Yu.Gudimenko, R.C.Tennyson, J. Spacecraft and Rockets, 32, No.5, 1995, P.878-884.
10. Е.А.Барбашев, и др., в сб. "Космическая технология и материаловедение", М.: Наука, 1982, стр.78-84.
11. О.Н.Фаворский, Я.С.Каданер, Вопросы теплообмена в космосе, М: Высшая школа, 1972, 280 стр.
[ слишком длинный топик - автонарезка ]