Геометрия космоса. Челябинские ученые готовят к испытанию уникальный научно-экспериментальный модуль МКС
29 Апреля 2015
Фото: Владлена Шваб
«Зато мы делаем ракеты…» Эти строчки из песни не потеряли актуальности и сегодня.
В этом убеждаешься, побывав в исследовательских лабораториях аэрокосмического факультета ЮУрГУ, где вскоре начнется разработка и испытания уникального научно-экспериментального модуля МКС.
Проверка на земле
— Между нашим вузом и РКК «Энергия» недавно был заключен договор о стратегическом сотрудничестве в области подготовки специалистов ракетно-космической отрасли, совместной научно-исследовательской деятельности и развитии исследовательской базы, — говорит Евгений Сафонов, декан аэрокосмического факультета ЮУрГУ. — В ходе переговоров обсуждались вопросы участия ЮУрГУ в разработке и испытаниях ответственных элементов конструкций перспективных космических систем, в том числе научно-экспериментального модуля МКС, запуск которого запланирован на 2017 год.
Этот модуль даже в проекте настоящее чудо космической техники. При массе более 20 тонн и длине свыше 10 метров он будет оснащен сложнейшим навесным оборудованием: солнечными батареями и европейским 600-килограммовым роботом-манипулятором ERA. Механическая «рука» робота длиной 10 метров будет способна даже в открытом космосе монтировать детали массой до 8 тонн! Но модуль, чтобы избежать ЧП на орбите, нужно «проверить на космос» уже на земле. Для этого предполагается использовать испытательную базу научно-образовательного центра ЮУрГУ «Экспериментальная механика», которая позволит определить динамические характеристики навесного оборудования модуля. Как пояснили ученые, им предстоит в кратчайшие сроки, с 2015 по 2016 год, разработать и изготовить специальную испытательную оснастку с направляющими устройствами на базе гидростатических подшипников.
По словам Евгения Сафонова, кроме проверки на вибрацию, приборы и новейшие материалы космических модулей будут испытываться и на воздействие сверхвысоких и сверхнизких температур. Условия, приближенные к космическим, позволяет создать одна из новинок лаборатории — аппарат «Глибл».
Синтезировали «нанопирог»
— Новые возможности по созданию используемых в ракетостроении жаропрочных металлов и сплавов открывает экструдирование — воздействие высоких температур под давлением, — сообщила Марина Семашко, директор научно-образовательного центра «Аэрокосмические технологии». — К примеру, у меня недавно запатентован способ изготовления сложных полых деталей выдавливанием. Мы моделируем процессы горения ракетного топлива, детонации, создания тяги… Тем самым наш центр станет своего рода экспериментальной площадкой для отработки технологий по созданию материалов с заранее заданными свойствами для глубокого космоса.
Другое направление — разработка порошковых сверхпрочных материалов, из которых можно изготавливать детали любой конфигурации. В перспективе их предполагается «выращивать» прямо на МКС и заменять изношенные либо поврежденные космическим мусором. Для этого можно использовать как 3D-принтер, так и метод детонационного напыления — к примеру, для восстановления покрытия.
Мы встретились с одним из создателей этой технологии ХХI века, заведующим лабораторией «Микропорошковые технологии» аэрокосмического факультета ЮУрГУ Павлом Лыковым. Он в составе творческой группы ученых «построил» две установки (на них получены патенты в 2011 и 2013 годах) для распыления жидких металлов. Они не имеют аналогов в России и предназначены для сплавов цветных металлов и сверхпрочных титановых, особо ценимых в ракетостроении. Так что мечта о строительстве на орбите межзвездных кораблей уже не выглядит фантастикой, это лишь вопрос времени…
— На выходе получаются порошки высочайшего качества, это позволяет их применять в таких новейших технологиях, как «выращивание» космических изделий методом так называемого трехмерного прототипирования, селективного лазерного сплавления, — говорит Павел Лыков. — И получать детали со сложнейшей геометрией. У нас для этого есть американская установка, которых в России всего несколько. В будущем эти технологии намного упростят ремонтные работы космонавтам МКС. А например, при применении в медицине они намного облегчают вживление имплантатов.
Но ученые пошли дальше — на основе этих ноу-хау разработали технологию (на нее в 2014 году получен патент) получения композиционных микропорошков. Эти чудо-материалы — своего рода сырье для «выращивания» деталей методом послойного синтеза, в том числе и космического назначения, буквально «с нуля». Нанотехнологии позволяют изменить структуру материала и придать ему нужные качества — особую прочность, пластичность, даже электропроводность.
Не случайно Павел Лыков получил приглашение на участие в международной конференции ICCM по созданию композиционных материалов, которая пройдет летом этого года в столице Дании Копенгагене. Эксперты считают, что использование композиционных материалов позволит совершить прорыв в освоении космоса.
Виртуальная модель
Но мало «построить» космический аппарат или модуль, нужно еще и исследовать его на пригодность к экстремальным внеземным условиям.
— Мы решили эту непростую задачу, — заявляет Павел Тараненко, директор научно-образовательного центра «Экспериментальная механика» ЮУрГУ. — На нашем большом вибростенде британского производства можно испытывать и крупногабаритные изделия, такие как модель космического модуля. Однако при этом есть риск повредить его, но и здесь нашли выход. Приобретенный два года назад расчетно-экспериментальный импортный комплекс позволяет моделировать любые «космические» нагрузки.
Ученые освоили метод виртуальных виброиспытаний, не разрушающий дорогостоящий аппарат, который применяют перед реальной проверкой. Создается компьютерная модель оснастки стенда с объектом испытаний — и подвергают виртуальной «тряске». Если аппарат выдержал, то и «в реале» создают условия, максимально приближенные к космическим. Неделю назад Павел Тараненко вернулся из Сочи, где проходила международная конференция по виртуальным виброиспытаниям — и ноу-хау челябинцев вызвало фурор даже у избалованных хай-теком зарубежных испытателей космической техники.
Эта экспериментальная технология, поясняет ученый, в прошлом году прошла обкатку при испытаниях макета корпуса спутника. Он успешно выдержал и виртуальную, и реальную проверку на прочность, и в результате построили универсальную модель испытательного вибростенда, которую можно применять для самых разных изделий.
…Напоследок мы подходим к обклеенному датчиками макету ракеты, на который «навешен» мини-вибростенд. Испытания модели (по заказу Государственного ракетного центра имени Макеева) проводятся под строжайшим присмотром компьютера. Программа дает команду на механическое возбуждение — и ракету трясет, как при «космических» перегрузках. Исследователь проверяет динамические характеристики, возникает ли в конструкции резонанс, есть ли опасность деформации… Но корпус ракеты выдержал — а значит, и в космосе не подведет!
— Для России «виртуально-космические» технологии — дело новое, и программное обеспечение разработано за рубежом, — говорит Павел Тараненко. — Но мы сумели их доработать и применить к нашим условиям. И все же это только первая ласточка нового. Сегодня готовимся к приемке на испытания корпуса будущего модуля МКС — это совершенно другой масштаб, я бы сказал, международный уровень. Мы хорошо это понимаем и готовы отработать совместный проект с РКК «Энергия» по самому высшему классу!
Проверка на земле
— Между нашим вузом и РКК «Энергия» недавно был заключен договор о стратегическом сотрудничестве в области подготовки специалистов ракетно-космической отрасли, совместной научно-исследовательской деятельности и развитии исследовательской базы, — говорит Евгений Сафонов, декан аэрокосмического факультета ЮУрГУ. — В ходе переговоров обсуждались вопросы участия ЮУрГУ в разработке и испытаниях ответственных элементов конструкций перспективных космических систем, в том числе научно-экспериментального модуля МКС, запуск которого запланирован на 2017 год.
Этот модуль даже в проекте настоящее чудо космической техники. При массе более 20 тонн и длине свыше 10 метров он будет оснащен сложнейшим навесным оборудованием: солнечными батареями и европейским 600-килограммовым роботом-манипулятором ERA. Механическая «рука» робота длиной 10 метров будет способна даже в открытом космосе монтировать детали массой до 8 тонн! Но модуль, чтобы избежать ЧП на орбите, нужно «проверить на космос» уже на земле. Для этого предполагается использовать испытательную базу научно-образовательного центра ЮУрГУ «Экспериментальная механика», которая позволит определить динамические характеристики навесного оборудования модуля. Как пояснили ученые, им предстоит в кратчайшие сроки, с 2015 по 2016 год, разработать и изготовить специальную испытательную оснастку с направляющими устройствами на базе гидростатических подшипников.
По словам Евгения Сафонова, кроме проверки на вибрацию, приборы и новейшие материалы космических модулей будут испытываться и на воздействие сверхвысоких и сверхнизких температур. Условия, приближенные к космическим, позволяет создать одна из новинок лаборатории — аппарат «Глибл».
Синтезировали «нанопирог»
— Новые возможности по созданию используемых в ракетостроении жаропрочных металлов и сплавов открывает экструдирование — воздействие высоких температур под давлением, — сообщила Марина Семашко, директор научно-образовательного центра «Аэрокосмические технологии». — К примеру, у меня недавно запатентован способ изготовления сложных полых деталей выдавливанием. Мы моделируем процессы горения ракетного топлива, детонации, создания тяги… Тем самым наш центр станет своего рода экспериментальной площадкой для отработки технологий по созданию материалов с заранее заданными свойствами для глубокого космоса.
Другое направление — разработка порошковых сверхпрочных материалов, из которых можно изготавливать детали любой конфигурации. В перспективе их предполагается «выращивать» прямо на МКС и заменять изношенные либо поврежденные космическим мусором. Для этого можно использовать как 3D-принтер, так и метод детонационного напыления — к примеру, для восстановления покрытия.
Мы встретились с одним из создателей этой технологии ХХI века, заведующим лабораторией «Микропорошковые технологии» аэрокосмического факультета ЮУрГУ Павлом Лыковым. Он в составе творческой группы ученых «построил» две установки (на них получены патенты в 2011 и 2013 годах) для распыления жидких металлов. Они не имеют аналогов в России и предназначены для сплавов цветных металлов и сверхпрочных титановых, особо ценимых в ракетостроении. Так что мечта о строительстве на орбите межзвездных кораблей уже не выглядит фантастикой, это лишь вопрос времени…
— На выходе получаются порошки высочайшего качества, это позволяет их применять в таких новейших технологиях, как «выращивание» космических изделий методом так называемого трехмерного прототипирования, селективного лазерного сплавления, — говорит Павел Лыков. — И получать детали со сложнейшей геометрией. У нас для этого есть американская установка, которых в России всего несколько. В будущем эти технологии намного упростят ремонтные работы космонавтам МКС. А например, при применении в медицине они намного облегчают вживление имплантатов.
Но ученые пошли дальше — на основе этих ноу-хау разработали технологию (на нее в 2014 году получен патент) получения композиционных микропорошков. Эти чудо-материалы — своего рода сырье для «выращивания» деталей методом послойного синтеза, в том числе и космического назначения, буквально «с нуля». Нанотехнологии позволяют изменить структуру материала и придать ему нужные качества — особую прочность, пластичность, даже электропроводность.
Не случайно Павел Лыков получил приглашение на участие в международной конференции ICCM по созданию композиционных материалов, которая пройдет летом этого года в столице Дании Копенгагене. Эксперты считают, что использование композиционных материалов позволит совершить прорыв в освоении космоса.
Виртуальная модель
Но мало «построить» космический аппарат или модуль, нужно еще и исследовать его на пригодность к экстремальным внеземным условиям.
— Мы решили эту непростую задачу, — заявляет Павел Тараненко, директор научно-образовательного центра «Экспериментальная механика» ЮУрГУ. — На нашем большом вибростенде британского производства можно испытывать и крупногабаритные изделия, такие как модель космического модуля. Однако при этом есть риск повредить его, но и здесь нашли выход. Приобретенный два года назад расчетно-экспериментальный импортный комплекс позволяет моделировать любые «космические» нагрузки.
Ученые освоили метод виртуальных виброиспытаний, не разрушающий дорогостоящий аппарат, который применяют перед реальной проверкой. Создается компьютерная модель оснастки стенда с объектом испытаний — и подвергают виртуальной «тряске». Если аппарат выдержал, то и «в реале» создают условия, максимально приближенные к космическим. Неделю назад Павел Тараненко вернулся из Сочи, где проходила международная конференция по виртуальным виброиспытаниям — и ноу-хау челябинцев вызвало фурор даже у избалованных хай-теком зарубежных испытателей космической техники.
Эта экспериментальная технология, поясняет ученый, в прошлом году прошла обкатку при испытаниях макета корпуса спутника. Он успешно выдержал и виртуальную, и реальную проверку на прочность, и в результате построили универсальную модель испытательного вибростенда, которую можно применять для самых разных изделий.
…Напоследок мы подходим к обклеенному датчиками макету ракеты, на который «навешен» мини-вибростенд. Испытания модели (по заказу Государственного ракетного центра имени Макеева) проводятся под строжайшим присмотром компьютера. Программа дает команду на механическое возбуждение — и ракету трясет, как при «космических» перегрузках. Исследователь проверяет динамические характеристики, возникает ли в конструкции резонанс, есть ли опасность деформации… Но корпус ракеты выдержал — а значит, и в космосе не подведет!
— Для России «виртуально-космические» технологии — дело новое, и программное обеспечение разработано за рубежом, — говорит Павел Тараненко. — Но мы сумели их доработать и применить к нашим условиям. И все же это только первая ласточка нового. Сегодня готовимся к приемке на испытания корпуса будущего модуля МКС — это совершенно другой масштаб, я бы сказал, международный уровень. Мы хорошо это понимаем и готовы отработать совместный проект с РКК «Энергия» по самому высшему классу!
Поделиться
