Устройство и способ устранения микротрещин космических летательных аппаратов
DEVICE AND METHOD FOR ELIMINATING MICROCRACKS IN SPACECRAFT

Изобретение относится к области космонавтики, в частности для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для устранения микротрещин космических летательных аппаратов (КЛА).
Известно, что в условиях космического вакуума происходит активное испарение поверхностных слоев материалов (металлов, неметаллов и др.). Процесс испарения происходит путем перехода молекул и атомов вещества из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу, т.е. сублимацией. В результате сублимации изменяется шероховатость поверхности, что сопровождается нарушением поверхностных свойств материалов и другими негативными явлениями.
Испарение (сублимация) материалов в глубоком космическом вакууме, по границам зерен поликристаллического материала на порядок превышает сублимацию с тела зерна, кроме указанного вследствие анизотропии поликристаллических зерен, различно ориентированные зерна будут испаряться по-разному. Скорость сублимации сильно зависит от температуры, времени и состояния поверхности материалов.
В процессе длительной эксплуатации в глубоком космическом вакууме идет усиленное испарение - сублимация металла с границ зерен, что приводит к образованию микротрещин, в основном по границам зерен.
В открытом космосе одновременно с глубоким вакуумом на материалы воздействуют электромагнитные и корпускулярные излучения космоса. Если энергия квантов или частиц излучения больше, чем энергия связей материалов, то совместное воздействие вакуума и космических излучений может усиливать эффект сублимации. Одновременно возрастает эффективность адгезии и когезии процессов, вызванных молекулярным взаимодействием, что приводит к прилипанию и сцеплению материалов на поверхности.
Суммарное воздействие указанных процессов в основном является причиной массопотерь за счет испарения и сублимации, что является причиной:
- образования микротрещин в стенках КЛА, приводящей к его разгерметизации,
- возникновению пробоев электрических цепей бортовых приборов.
Известно также, что легированием межзеренных пространств атомами, образующими твердый раствор с основным материалом (корпус КЛА), можно существенно снизить скорость сублимации.
Целью настоящего изобретения является создание устройства, позволяющего тепловой энергией СВС получить направленный поток атомов, молекул металлов в условиях глубокого вакуума, невесомости, в область микротрещин, их закупоривание и устранение.
Наиболее близким по конструкции к предложенному устройству является устройство для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в космосе, описанное в патенте на изобретение RU 2245222 (кл. B22F 3/23, 22.07.2003). Известное устройство содержит корпус, на боковой поверхности которого выполнено смотровое окно из прозрачного материала и основание, цилиндрическую спрессованную СВС-шихту, инициирующую спираль и испаряемый материал.
Однако известное устройство применяется для синтеза материалов с уникальными свойствами и не может применяться для поставленных в настоящем изобретений целей.
Проведенный анализ патентной информации и научно-технической литературы показал, что заявленный способ устранения микротрещин на поверхности КЛА не имеет аналогов.
Технический результат предложенного изобретения заключается в создании устройства, позволяющего определить наличие образованных в стенках КЛА микротрещин в условиях космического вакуума (невесомости) и устранить их тепловой энергией СВС путем получения потока частиц испаряемого металла или соединений, образующих твердый раствор с материалами стенок КЛА.
Технический результат достигается тем, что устройство для устранения микротрещин на поверхности корпуса космических летательных аппаратов (КЛА) с использованием тепловой энергии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), содержит камеру, на боковой поверхности которой выполнено смотровое окно из прозрачного материала и основание, цилиндрическую спрессованную СВС-шихту, спираль для инициирования СВС синтеза и испаряемый материал, по предложению
-5
-6
камера выполнена цилиндрической формы и в верхней части содержит герметичную двойную стенку с вакуумным клапаном и гибким шлангом, присоединенным к открытому космосу для создания вакуума 10-10 мм рт.ст. внутри двойной стенки, закрытой сверху уплотнителями,
2
3
в нижней части камера снабжена игольчатым клапаном для подачи инертного газа для создания в камере давления 10-10 мм рт.ст. и датчиком давления, подтверждающим наличие микротрещин в стенке КЛА,
-5
-6
в средней части камера содержит вакуумный клапан с гибким шлангом, обеспечивающим вакуум 10-10 мм рт.ст. в камере устройства при подключении к открытому космосу,
СВС-шихта установлена на теплоизоляторе, размещенном на основании камеры, и выполнена в виде таблетки, в торце которой высверлено отверстие в форме «ложечки», в которое засыпан порошок испаряемого материала,
при этом устройство дополнительно снабжено экраном с отверстием для создания направленного потока частиц испаряемого материала, установленного на основании вокруг теплоизолятора с СВС-шихтой, а также заслонкой для перекрытия вышеупомянутого потока.
Способ устранения микротрещин на поверхности корпуса КЛА с использованием устройства путем проведения реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в условиях невесомости по изобретению заключается в том, что
-5
-6
устройство присоединяют к корпусу космического аппарата в области микротрещин посредством уплотнителей за счет создания высокого вакуума в двойной стенке камеры 10-10 мм рт.ст.,
2
3
-5
-6
затем открывают игольчатый клапан, подают в камеру инертный газ и создают давление 10-10 мм рт.ст, определяют наличие микротрещин путем измерения перепада давлений в камере устройства, при уменьшении давления в камере, подтверждающем наличие микротрещин, игольчатый клапан закрывают и открывают расположенный в средней части камеры вакуумный клапан, подключенный гибким шлангом к открытому космосу, для создания вакуума 10-10 мм рт.ст,
далее инициируют испарение материала его нагреванием до температуры испарения, возникающей в результате выделения тепловой энергии твердофазной экзотермической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза за счет горения СВС-шихты,
открывают заслонку и устраняют микротрещины осаждением испаряемого материала, проникающего в область микротрещин, закупоривая их с образованием сплошной пленки на поверхности корпуса КЛА.
Схема устройства для устранения микротрещин космических летательных аппаратов представлена на фиг. 1.
Устройство для устранения микротрещин на поверхности космических летательных аппаратов содержит камеру 1, двойную стенку 2, закрытую сверху вакуумными уплотнителями 3, вакуумный клапан 4, гибкий вакуумный шланг 5, выполненный с возможностью подключения к космическому вакууму, игольчатый клапан для подачи инертного газа 6, датчик вакуумметрического давления 7, прессованную СВС-шихту 8, испаряемый материал 9, экран 10 с отверстием 11 для создания направленного потока частиц испаряемого материала, спираль для инициирования СВС синтеза 12, датчик вакуумметрического давления 13, заслонку 14 для перекрытия потока частиц испаряемого материала 15, вакуумный клапан 16, гибкий вакуумный шланг 17, выполненный с возможностью подключения к космическому вакууму, осветительное устройство 18, видеокамеру для отслеживания процесса напыления 19, подключенную к компьютеру, игольчатый вентиль для подачи воздуха с целью разгерметизации устройства 20, смотровое окно 21, теплоизолятор 22.
-5
-6
Камера 1 устройства для устранения микротрещин выполнена в виде металлического цилиндра, содержащего в верхней части герметичную двойную стенку 2, закрытую сверху вакуумными уплотнителями 3. Такая конструкция позволяет образовывать высокий вакуум 10-10 мм внутри двойной стенки корпуса после подключения клапана 4 с гибким вакуумным шлангом 5 к открытому космосу, что позволяет устройству прилипать к поверхности космического аппарата в области микротрещин.
2
3
В нижней части камера 1 снабжена игольчатым клапаном 6 для подачи инертного газа для создания в камере давления 10-10 мм рт.ст. и датчиком вакуумметрического давления 7, подтверждающим наличие микротрещин в стенке КЛА.
-5
-6
В средней части камера содержит вакуумный клапан 16 с гибким шлангом 17, обеспечивающим вакуум 10-10 мм рт.ст. в камере устройства при подключении к открытому космосу.
СВС-шихта 8 установлена на теплоизоляторе 22, размещенном на основании камеры 1, и выполнена в виде таблетки, в торце которой высверлено отверстие в форме «ложечки», в которое засыпан порошок испаряемого материала 9.
Экран 10 установлен на основании камеры 1 вокруг теплоизолятора 22 с СВС-шихтой.
Устройство для устранения микротрещин космических летательных аппаратов работает следующим образом.
В области микротрещины стенка КЛА подвергается тщательной очистке специальными средствами. В прессованную в виде таблетки СВС-шихту 8, в торце которой высверлено отверстие в форме «ложечки», засыпается порошок испаряемого материала 9. Прессованная СВС-шихта крепится с помощью держателя к основанию камеры 1. Между СВС-шихтой и корпусом 1 устройства ставится теплоизолятор 22.
-5
-6
Устройство присоединяется к стенке космического аппарата в область микротрещин посредством уплотнителей за счет создания высокого вакуума в двойной стенке 2 камеры 10-10 мм рт.ст. путем присоединения вакуумного клапана 4 с гибким вакуумным шлангом 5, расположенного в области двойной стенки 2 корпуса, к открытому космосу. В данном случае космический вакуум служит в качестве «насоса» для откачки газов из камеры 1 предлагаемого устройства.
2
3
Затем открывается игольчатый клапан 6, подают в камеру инертный газ и создают давление 10-10 мм рт.ст. Давление внутри устройства измеряется с помощью датчика мановакуумметрического давления 7. Определяют наличие микротрещин путем измерения перепада давлений в камере устройства 1. Уменьшение давления в камере устройства подтверждает наличие микротрещин в стенках корпуса КЛА, а их отсутствие подтверждается постоянным давлением в камере 1.
-5
-6
При уменьшении давления в камере 1, подтверждающем наличие микротрещин, игольчатый клапан 6 закрывают и открывают расположенный в средней части камеры вакуумный клапан 16, подключенный гибким шлангом 17 к открытому космосу, для создания вакуума 10-10 мм рт.ст,
Включается осветительное устройство 18 для освещения внутреннего пространства устройства и видеокамера 19 для отслеживания процесса напыления, подключенная к компьютеру. За процессом наблюдают через смотровое окно 21 устройства.
С помощью вольфрамовой спирали 12 инициируется испарение материала 9 его нагреванием до температуры испарения, возникающей в результате выделения тепловой энергии твердофазной экзотермической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза за счет горения СВС-шихты 8. Открывается заслонка 14, поток частиц испаряемого материала 9 через отверстие 11 экрана 10 проникает в область микротрещин, закупоривая их с образованием сплошной пленки на поверхности корпуса КЛА в области микротрещин.
2
3
После завершения испарения закрывается заслонка 14, закрывается вакуумный клапан 16 с гибким вакуумным шлангом 17, соединенным с открытым космосом. Открывается игольчатый клапан 6, подается инертный газ. После образования в камере 1 устройства высокого давления (10-10 мм.рт. столба) с помощью чувствительного манометра измеряется давление внутри камеры. Стабильность давления подтверждает факт устранения микротрещин в корпусе КЛА. Закрывается вакуумный клапан 4, открывается игольчатый клапан для подачи воздуха 20. Разгерметизируются область внутри двойной стенки камеры 1, устройство отсоединяется от поверхности КЛА.
Пример 1
Готовят экзотермическую смесь исходных компонентов (СВС-шихту) из порошков титана и бора. Для этого 47.9 г титана тщательно перемешивают с 22 г. аморфного бора. Из готовой смеси прессуют таблетку, имеющую диаметр 30 мм и высоту 30 мм. Затем в торце этой таблетки высверливается отверстие в форме «ложечки», в которое засыпается порошок алюминия, являющийся испаряемым материалом 8. После этого осуществляется сборка устройства как изображено на фиг. 1 и создается вакуум в рабочей камере. После достижения вакуума, инициируют кратковременный тепловой импульс с помощью вольфрамовой спирали 10 в спрессованной из экзотермической смеси таблетке 7. Протекает твердофазная экзотермическая реакция:
2
Ti+2В=TiB,
2
Температура горения СВС-шихты - 2700°С. Механизм горения СВС-шихты таков, что во фронте горения титан плавится (температура плавления - 1670°С, температура кипения - 3287°С). Однако расплавленного титана в чистом виде в волне горения нет (как только он плавится, в нем мгновенно растворяется бор, температура плавления продукта растет и расплав застывает), т.е. время жизни расплава мало. Температура плавления диборида титана TiB (продукта горения) - 2970°С.
В результате протекания экзотермической реакции между компонентами СВС-шихты выделяется большое количество тепловой энергии и происходит испарение Al (температура испарения Al - 660°С, температура испарения Al - 1150°С).
После завершения испарения и закрытия заслонки 14 в камеру 1 подается инертный газ. После образования в камере 1 устройства высокого давления (102-103 мм рт.ст.) с помощью чувствительного манометра измеряется давление внутри камеры. Стабильность давления подтверждает факт устранения микротрещин в корпусе КЛА.
Пример 2
Готовят экзотермическую смесь исходных компонентов (СВС-шихту) из порошков титана и углерода. Для этого 47,9 г. титана тщательно перемешивают с 12 г углерода (сажа, размолотый графит). Из готовой смеси прессуют таблетку, имеющую диаметр 30 мм и высоту 30 мм. Затем в торце этой таблетки высверливается отверстие в форме «ложечки», в которое засыпается порошок титана, являющийся испаряемым материалом 8. После этого осуществляется сборка устройства как изображено на фиг. 1 и создается вакуум в рабочей камере. После достижения вакуума, инициируют кратковременный тепловой импульс с помощью вольфрамовой спирали 10 в спрессованной из экзотермической смеси таблетке 7. Протекает твердофазная экзотермическая реакция:
Ti+С=TiC
Температура горения СВС-шихты - 3000°С. Механизм горения СВС-шихты таков, что во фронте горения титан плавится (температура плавления - 1670°С, температура кипения - 3287°С). Однако расплавленного титана в чистом виде в волне горения нет (как только он плавится, в нем мгновенно растворяется углерод, температура плавления образовавшегося продукта растет и расплав застывает), т.е. время жизни расплава мало. Температура плавления карбида титана (продукта горения) - 3260°С, температура кипения карбида титана - 4300°С.
В результате протекания экзотермической реакции между компонентами СВС-шихты выделяется большое количество тепловой энергии и происходит испарение титана (температура интенсивного испарения титана в вакууме ~ 1900°С).
Пример 3
Готовят экзотермическую смесь исходных компонентов (СВС-шихту) из порошков тантала и углерода. Для этого тщательно перемешивается 180,96 г порошка тантала с 12 г углерода (сажа, размолотый графит). Из готовой смеси прессуют таблетку, имеющую диаметр 30 мм и высоту 30 мм. Затем в торце этой таблетки высверливается отверстие в форме «ложечки», в которое засыпается порошок нихрома, являющийся испаряемым материалом 8. После этого осуществляется сборка устройства как изображено на фиг. 1 и создается вакуум в рабочей камере. После достижения вакуума, инициируют кратковременный тепловой импульс с помощью вольфрамовой спирали 10 в спрессованной из экзотермической смеси таблетке 7. Протекает твердофазная экзотермическая реакция:
Та+С=ТаС
Температура горения СВС шихты - 2700 К (2427°С), меньше температуры плавления и кипения компонентов шихты: у тантала - Тпл.=3290К (3017°С), Ткип.=5731К (5458°С), а у углерода соответственно 3845-3890°С и 4200°С.
В результате протекания экзотермической реакции между компонентами СВС-шихты выделяется большое количество тепловой энергии и происходит испарение нихрома.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет устранять микротрещины КЛА, используя тепловую энергию СВС, не только при нормальных условиях, но и в условиях космического вакуума.