Космос изначально был «металлическим»: детали ракет и спутников делали из стали, алюминия, сплавов титана. С появлением на Земле новых материалов что-то изменилось?
Вся история космической техники сопряжена с борьбой за снижение массы аппаратов. Вывод в космос каждого лишнего 1 кг стоит десятки тыс. долл., поэтому уменьшение массы всегда было в повестке дня. Замена металлов на композиты и полимеры идет уже около 20 лет, но сейчас, в последние пять лет, это происходит особенно интенсивно. Как все начиналось… Сначала попробовали облегчить какие-то несущие штыри в конструкциях с помощью композитов, создать на основе полимеров трубопроводы, баки. Когда убедились, что это возможно, возникли другие вопросы.
Какие?
Замена металлов на композиты и полимеры в последние пять лет идет особенно интенсивно
Ведется много разработок, какие-то еще на стадии исследования, какие-то проходят опытные испытания. Поэтому на названиях конкретных материалов и технологиях их производства останавливаться не буду. Важнее рассказать о том, к чему такие материалы должны быть готовы.
Например, вакуум имеет значение для создателей «космических» материалов?
Любой материал в вакууме выделяет поглощенные газы и в той или иной мере испаряется. Есть даже такой термин – материал «газит». От того, насколько интенсивен этот процесс, зависит многое. Изменяются свойства самого материала, вокруг аппарата формируется собственная газовая оболочка, влияющая на его функционирование.
Что еще нужно учитывать?
Например, термоциклирование. Конструкции космического корабля попеременно то нагреваются, то охлаждаются. Это зависит от ориентации относительно Солнца. В космосе нет конвективных потоков, нет теплопередачи за счет контакта тел.
Солнечные лучи напрямую достигают аппарата, нагревая его. Если участок поверхности обращен к Солнцу, его температура может быть, скажем, плюс 100 °С, а на теневой стороне – минус 100 °С. Аппараты чаще всего вращаются. В итоге материал, который находится на поверхности, работает в температурном диапазоне плюс-минус 100 °С. Нужно понимать, сколько подобных циклов он выдержит, прежде чем его свойства начнут меняться.
Особенно подвержена воздействию в космосе, наверное, электроника?
Современные микросхемы с высокой степенью интеграции, когда на одном чипе размещаются сотни тыс. элементарных транзисторов, оперируют все меньшими токами. В итоге заряды, которые управляют работой микросхемы, стали сопоставимыми по величине с теми зарядами, которые создаются отдельными космическими частицами при их торможении в веществе микросхемы.
Если такая частица попадает в микросхему, а ее заряд «удачно» собирается на электроде, она может, например, переключить ячейку памяти из состояния «0» в состояние «1». То есть изменяется содержание информации, микросхема начинает выдавать неправильные сигналы или прекращает работу.
Космическое излучение – это радиация?
Космической радиацией принято называть совокупность потоков заряженных частиц разных видов и энергий. Отмечу, что воздействие космической радиации – одна из самых сложных проблем для обсуждаемой перспективы полета на Марс.
На аппарат в космосе могут воздействовать частицы широко известных радиационных поясов Земли, частицы галактических и солнечных космических лучей и др. Все они приносят энергию, которая поглощается элементами конструкции и оборудования. В результате возникают радиационные дефекты: смещаются атомы из узлов кристаллической решетки, разрываются связи в полимерах, иногда, наоборот, происходит сшивание связей, образование новых. Эти процессы изменяют свойства материала, в некоторых случаях он может даже улучшаться (иногда такие технологические приемы используются). Но чаще происходит деградация материала.
Полимеры в иерархии радиационной стойкости занимают сегодня достойное место
Универсальной мерой радиационного воздействия на материал является поглощенная доза – энергия воздействующего излучения, поглощенная единичной массой. Материалы, «работающие» в космосе, классифицированы по допустимой поглощенной дозе. Это означает, что до определенной дозы свойства изменяются в пределах допустимого, а когда достигается порог радиационной стойкости, материал не может выполнять свое функциональное назначение. Полимеры в этой иерархии занимают достойное место.
А кто лидер по уровню радиационной стойкости?
Металлы пока вне конкуренции. Они на три-четыре порядка более стойки к воздействию радиации, чем полимеры. Зато они тяжелее. Поэтому ученые стремятся всеми силами повысить радиационную стойкость полимеров. Во многих случаях это удается. Ведь далеко не всегда нужно достигать максимального уровня радиационной стойкости. Материал должен отработать положенный срок на той орбите и в тех условиях, которые планируются. Когда-то это было 2–3 года, сейчас во многих случаях требуется 10–15 лет.
Еще один важный фактор, который нужно отметить применительно к полимерам, – воздействие атомарного кислорода в верхних слоях атмосферы Земли. На высоте от 200 до 800 км атомарный кислород, образующийся в результате распада молекул кислорода на отдельные атомы, является основным компонентом атмосферы. Атомарный кислород – сильнейший окислитель, он вступает в химические реакции с материалами, и в первую очередь с полимерами, образуя летучие соединения. В итоге постепенно происходит разрушение материалов. А на указанных высотах летают многие космические аппараты: МКС, когда-то «Мир», спутники.
Что может защитить полимеры?
Нанесение специальных покрытий, экранирование, придание материалам требуемых свойств за счет добавок, в том числе на наноуровне. В случае, например, с атомарным кислородом на поверхность защищаемого материала наносятся покрытия на основе кремния. Он стоек к такому воздействию.
Традиционный способ защиты от радиации – создание экранов на пути частиц. Отдельный вопрос – из чего должен быть сделан экран. Исследования активно проводятся во всем мире. Различного рода полимерные композиты, в том числе многослойные, часто оказываются более эффективными, чем просто алюминиевый экран.
Но порой и экранирование не помогает. Например, в ситуации защиты электроники от воздействия галактических космических лучей. У таких частиц слишком большая энергия, через экраны разумной толщины они проникают. В этом случае защита достигается за счет дублирования. Допустим, параллельно работают три матрицы полупроводниковых схем памяти, плюс информация постоянно перезаписывается. В комплексе это позволяет значительно снизить вероятность сбоев.
Хотелось бы остановиться на еще одной проблеме. Как известно, в космическом пространстве существуют различные виды плазмы. При взаимодействии с поверхностью спутника частицы плазмы создают заряд, что, в свою очередь, приводит к возникновению электростатических разрядов, создающих помехи работе оборудования. Когда наша страна начинала создавать системы телевизионного вещания и радиосвязи через геостационарные спутники, мы впервые столкнулись с этим. Спутники теряли ориентацию, проходили ложные команды, выключалось питание и т.д. Для решения проблемы потребовались, в частности, материалы с определенным уровнем проводимости, чтобы заряд мог «стекать» на общий металлический корпус. Сегодня эта задача успешно решается.
Допустим, теоретически все проблемы удалось определить и даже придумать, как устранить их. Но на практике как понять, какой результат получен?
На самом деле список проблем, с которыми сталкиваются проектировщики и производители космических аппаратов, еще более обширен, чем мы обсудили. В космосе на материал одновременно воздействуют сразу несколько факторов, поэтому в земных условиях предсказать, как поведет себя тот или иной материал под воздействием высокой температуры, плазмы и космической радиации, сложно. Оборудования, которое бы имитировало все эти явления одновременно, нет. Поэтому для установления истины стремятся привлекать данные экспериментов, проводимых непосредственно в космосе, исследуют, например, образцы материалов, экспонировавшиеся в течение определенного времени на внешней поверхности МКС. А учитывая то, что в последние годы, после закрытия программы Space Shuttle в США, доставка опытных образцов материалов с МКС затруднительна, научные разработки приходится вести, опираясь лишь на «земной» опыт, а это не самый эффективный способ верификации результатов исследований. Надеюсь, что по мере запуска новых космических программ у ученых всего мира появятся новые возможности проведения экспериментов в реальных условиях.
Александр Буланов
