Космическая технология и производство

Гришин Сергей Дмитриевич

Рассмотренные выше экспериментальные и теоретические исследования процессов переноса вещества в условиях, близких к невесомости, относились к расплавам. Однако в этих условиях и для газообразного состояния вещества процессы переноса могут иметь свои особенности. Приведем в качестве примера также эксперимент на станции «Скайлэб», в котором исследовалось выращивание кристаллов полупроводников — селенида и теллурида германия — из газовой фазы. Этот метод основан на том, что на горячем конце запаянной ампулы вещество, находящееся в газовой фазе (иодистый германий), реагирует с поверхностью твердого исходного материала, а затем под действием перепада температуры диффундирует в сторону холодного конца ампулы. Там, в более холодной зоне,

происходят конденсация паров на затравочном кристалле и образование нужных кристаллов. Ожидалось, что скорость массопереноса продукта в газовой фазе будет определяться чисто диффузионными процессами. В земных условиях эта скорость значительно возрастает из-за конвекции. Этот эксперимент показал, что фактическая скорость переноса массы в космических условиях ниже наблюдаемой на Земле, но выше величины, рассчитанной в чисто диффузионном приближении.

Сходные результаты получены также в эксперименте, поставленном при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». Это расхождение в скоростях диффузионного переноса можно связать с особенностями химических реакций в газообразном состоянии, которые не учитываются в существующих методах расчета.

Механика жидкости. Рассматривая механику жидкости в невесомости как один из разделов теоретических основ космического производства, необходимо изучить вопросы поверхностного натяжения и смачивания, капиллярные эффекты, устойчивость форм жидкости и поведение содержащихся в ней включений — газовых пузырей, твердых частиц и т. д. Для качественного исследования этих вопросов удобно проводить на борту космических аппаратов эксперименты с использованием воды и водных растворов.

Серия подобных экспериментов демонстрационного характера была выполнена, например, на американской космической станции «Скайлэб». Методом киносъемки исследовались поведение свободно плавающих водяных сфер, их колебания, вызванные толчком шприца, развал сфер при вращении. Влияние поверхностного натяжения на затухание колебаний жидкости и на ее взаимодействие с твердой поверхностью изучалось путем добавления в жидкость мыльного раствора, что вело к изменению коэффициента поверхностного натяжения.

Другая экспериментальная установка, использованная на станции «Скайлэб» для проведения демонстрационных опытов по механике жидкостей, позволяла моделировать поведение плавающей зоны. В этой установке между двумя стержнями, которые можно было раздвигать и вращать независимо друг от друга, создавалась жидкая перемычка с разными коэффициентами поверхностного натяжения (за счет добавления в воду мыльного раствора). На этой установке исследовалась устойчивость жидкой зоны по отношению к вращению и перемещению стержней при изменении величины коэффициента поверхностного натяжения.

Следующая задача механики жидкости состоит в изучении поведения газовых и других включений. На важность этих исследований еще в 1969 г. указали советские ученые, проводившие на корабле «Союз-6» первые опыты по сварке и отметившие появление в сварных швах газовых включений. На Земле пузыри удаляются из жидкости под действием силы Архимеда, в космосе этого не происходит. В некоторых случаях такие включения могут приводить к ухудшению качества материала. Для управления динамикой газовых и других включений в жидкостях советские ученые предложили использовать ультразвуковые колебания жидкости и провели на борту летающей лаборатории в условиях кратковременной невесомости эксперименты, подтвердившие перспективность этого метода.

Учитывая важность исследований в области механики жидкости, соответствующие опыты были включены также и в программу экспериментов на станции «Салют-5». Цель этих экспериментов состояла в том, чтобы исследовать движение жидкости под действием одних только капиллярных сил и получить качественные данные о поведении пузырей в жидкости в условиях, близких к невесомости. Эксперименты были выполнены космонавтами Б. В. Вольтовым и В.

М. Жолобовым с помощью приборов «Поток» и «Реакция».

Прибор «Поток» представлял собой прямоугольный параллелепипед, изготовленный из прозрачного оргстекла и содержащий внутри две полости, внутренняя поверхность одной из которых водой смачивается, а другой — нет. Сферические полости соединены между собой капиллярным и дренажным каналами, снабженными запорными вентилями. Перед началом эксперимента вентили открыли, и под действием сил поверхностного натяжения произошло перетекание водного раствора из первоначально заполненной жидкостью полости с несмачиваемыми стенками в полость, стенки которой смачивались водой. По дренажному каналу происходило выравнивание давления воздуха между полостями. При испытании прибора на летающей лаборатории процесс перетекания жидкости из одной полости в другую регистрировался с помощью киносъемки.

При испытании прибора на станции «Салют-5» исследовалась устойчивость газового пузыря в жидкости к механическим воздействиям. При интенсивном встряхивании прибора газовый пузырь, находившийся в заполненной жидкостью полости, разбился на большое количество (около 100) мелких пузырьков. В дальнейшем эти пузырьки постепенно сливались в один большой, но продолжительность этого процесса была значительной — около двух суток.

Рис. 9. Схема расположения трубки и муфты в приборе «Реакция».

Прибор «Реакция» состоял из корпуса и двух контейнеров с цилиндрическими экзопакетами [4] , внутри каждого из которых размещалась трубка из нержавеющей стали с надетой на нее муфтой (рис. 9). В зазоре между трубкой и муфтой помещался марганец-никелевый припой, который при проведении эксперимента плавился, растекался вдоль зазора, а при охлаждении затвердевал и обеспечивал получение прочных паяных соединений муфты с трубкой. Как показало исследование паяных образцов, доставленных на Землю, жидкий припой смочил поверхности и перетек по капиллярному зазору, образованному между внутренней поверхностью муфты и трубкой, из кольцевой полости большего размера в кольцевую полость меньшего размера (рис. 10).

4

Экзопакет — устройство, в котором выделяется тепло за счет протекания экзотермических химических реакций в специально подобранных веществах.

Таким образом, с помощью прибора «Реакция» была продемонстрирована возможность перетекания жидкости под действием сил поверхностного натяжения. Этот способ управления потоками жидкости может оказаться полезным практически, например, для производства в космосе литых изделий сложной формы. Сходные эксперименты по исследованию растекания жидкого металла (олово) вдоль медных изложниц сложной формы под действием сил поверхностного натяжения были выполнены также при запуске в СССР высотной ракеты в марте 1976 г.

Рис. 10. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы паяного соединения в приборе «Реакция»

Процессы кристаллизации. Важнейший процесс получения материалов в космических условиях — это их кристаллизация. Монокристаллы можно получать из растворов, расплавов или из паровой фазы. На различных космических аппаратах исследовались особенности всех трех способов получения кристаллов. Рассмотрим в качестве примера эксперименты по выращиванию кристаллов, выполненные на станции «Салют-5», а также во время совместного полета кораблей «Союз» и «Аполлон».