На кафедре материаловедения существуют два основных направления по космической тематике. Первое — материалы для систем жизнеобеспечения космических скафандров. Второе — разработка нераспыляемых газопоглотителей для мер времени высокой точности, которые применяются, в частности, в системе ГЛОНАСС — на наземных и орбитальных станциях.
Как работает скафандр «Орлан» и с какими проблемами сталкиваются космонавты
Тип космического скафандра «Орлан» был разработан в СССР научно-производственным предприятием «Звезда» имени Северина для безопасного пребывания и работы космонавта в открытом космосе. В настоящее время модифицированный вариант скафандра «Орлан» обеспечивает работу космонавтов на МКС.
Есть и вторая проблема: космонавт выдыхает воздух, насыщенный водяным паром. Если влагу не отводить, стекло шлема запотеет, а протереть его изнутри скафандра невозможно.
Для решения этих задач на кафедре материаловедения НГТУ разрабатывают листовые пористые материалы методом прокатки порошка в ленту. Это научное направление порошковой металлургии, которое существует на кафедре с 50-х годов прошлого столетия. Результатом стали два конкретных штатных изделия: пористый элемент СПЭ-1 и пластина металлокерамическая МКП-1.
Принцип работы основан на сублимации. К пористой перегородке с одной стороны подводится теплая вода, которая получает теплоту от тела космонавта через специальный костюм водяного охлаждения. Вода проходит сквозь перегородку, попадает в космическое пространство, мгновенно замерзает, затем испаряется — и лишняя теплота уносится за борт. Так работает система терморегуляции.
Второе изделие решает задачу влагоудаления: избыточный водяной пар, предварительно собранный специальным устройством внутри скафандра, транспортируется через пористую перегородку и также сбрасывается в открытый космос.
Процесс создания таких материалов — длительный и многоступенчатый. Разработчики получают от предприятия-изготовителя скафандров техническое задание (ТЗ), в котором указаны требуемые эксплуатационные свойства: размер пор, их распределение, сопротивление при движении газа или жидкости.
Далее подбираются размер частиц порошка, режимы формования и спекания. Изготавливается серия образцов, они тестируются, из них выбираются наиболее подходящие — и следующая итерация приближает результат к требованиям технического задания.
Когда материал полностью соответствует, начинается стадия испытаний — самая длительная, она может занимать несколько лет. Весь путь от технического задания до эксплуатации может составить порядка десяти лет, поскольку космонавтика и авиация требуют всесторонних проверок: сначала на Земле, потом в космосе, сначала без людей, потом с людьми. Как говорит Евгений Беляев, все правила в этих отраслях «написаны кровью».
Роль искусственного интеллекта
Сегодня в работу активно вовлекаются и технологии искусственного интеллекта. Как объясняет эксперт, ИИ используется как инструмент оптимизации, обработки входных данных, построения цифровых двойников материалов и прогнозирования свойств.
При этом материалы не стоят на месте: меняются сырьевые компоненты, требования к скафандрам и их модификациям, возрастает продолжительность работы в открытом космосе — если раньше, условно говоря, время работы в открытом космосе было значительно меньше, то сейчас космонавты работают по 8–10 часов. Все это требует постоянного совершенствования материалов.
— Система жизнеобеспечения базируется на принципах сублимации, и наша пористая перегородка способна эту функцию обеспечивать. Эта тонкая пластина позволяет сбросить избыточное количество теплоты из скафандра в космическое пространство. А второе изделие транспортирует предварительно собранный из скафандра водяной пар за борт также за счет пористой перегородки, — поясняет эксперт. — Отмечу, что вопрос тонких листовых пористых материалов на нашей кафедре изучается уже давно — с 50-х годов прошлого столетия. Рано или поздно мы полетим на планету с атмосферой. И там, конечно, уже сублимационный теплообмен не работает. Потребуются другие теплообменники, к примеру, испарительные. Мы к этому вызову готовы, и я думаю, мы сможем победить.
Материалы НГТУ им. Р.Е. Алексеева обеспечивают жизнедеятельность космонавтов в открытом космосе уже более 45 лет. Разработки применяются в скафандрах серии «Орлан» — основном рабочем костюме для внекорабельной деятельности на МКС. Экипаж станции международный, поэтому в скафандрах с нижегородскими материалами работают не только российские космонавты, но и зарубежные партнеры.
Среди заказчиков — «Роскосмос», а также частные предприятия, производящие меры времени высокой точности. Кроме того, на базе кафедры готовят специалистов-материаловедов: действуют программы бакалавриата и магистратура передовой инженерной школы «Материалы для высокотемпературных ядерных реакторов», в рамках которых студенты изучают порошковую металлургию, композиционные материалы и другие дисциплины, позволяющие работать в космической, металлургической и проектировочной отраслях.
От многолетних испытаний к будущим миссиям
Ближайшая перспектива, которую видит Евгений Беляев, связана с освоением других планет.
Сейчас все разработки рассчитаны на работу в вакууме — на околоземной орбите. Но уже возобновляются лунные миссии, а в будущем человечество будет посещать планеты с атмосферой. В этих условиях сублимационный теплообмен перестанет работать, и потребуются теплообменники нового типа — например, испарительные, с другими материалами. Работа в этом направлении на кафедре уже ведется. Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
Ранее Наука Mail публиковала интервью с действующим космонавтом Алексеем Зубрицким.
