научная статья по теме КОМПЛЕКТ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В АКТИВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКТ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В АКТИВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 3, с. 315-320

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 629.783+541.6

КОМПЛЕКТ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В АКТИВНЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАХ

© 2004 г. П. Г. Бабаевский1, Н. А. Козлов1, А. Н. Шубин1,

И. В. Чурило2, В. П. Никитский3, Т. Н. Смирнова4

1 Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, г. Москва Ракетно-космическая корпорация "Энергия", г. Королев 3 МНТЦ ПНКО

4 Конструкторское бюро "Салют" ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, г. Москва Поступила в редакцию 06.02.2003 г.

Использование в составе наружных конструкций и узлов орбитальных космических станций и комплексов полимерных материалов (ПМ) и клеевых соединений (КС) потребовало разработки и внедрения методик и средств оценки и прогнозирования поведения этих материалов при длительной экспозиции в условиях космического пространства. ПМ и КС вследствие органической природы полимеров очень чувствительны к деструктирую-щему воздействию космического климата: перепадов температуры, высокого вакуума, жестких излучений и плазмы атомарного кислорода. Многообразие факторов космического пространства (ФКП) и зависимость условий и характера их воздействия на полимерные материалы от ориентации комплекса не позволяют достоверно осуществлять имитацию их воздействия на Земле. В то же время известно, что создание имитационных стендов и установок является чрезвычайно сложной технической задачей, требующей огромных затрат времени и средств и не дающей гарантии адекватности имитационной и натурной экспозиции.

Получить информацию о поведении материалов в условиях открытого космоса можно двумя способами: исследованиями материалов в земных условиях после их длительной экспозиции в специальных кассетах за бортом космических аппаратов и возврата на Землю (пассивные эксперименты) или непосредственно в космических условиях с помощью специально сконструированной аппаратуры при экспозиции за бортом космических комплексов (активные эксперименты) [1].

Цель работ, выполненных на протяжении 20 лет в рамках космических программ СССР и Российской Федерации, состояла в разработке методик, изготовлении и опробовании комплекта аппаратуры для всесторонней оценки изменений состава, структуры и свойств штатных и перспек-

тивных ПМ и КС непосредственно в процессе экспозиции в космических условиях.

Выбор методик контроля базировался на выборе параметров, которые, с одной стороны были, бы чувствительны к изменению состава и структуры ПМ и КС, а с другой стороны характеризовали бы их важные служебные свойства и могли быть определены с помощью относительной простой, легкой и дистанционно-управляемой аппаратуры, отвечающей требованиям к устройствам, выполняемых в бортовом исполнении.

В качестве таких параметров были выбраны показатели вязко-упругих и диэлектрических свойств, которые наиболее чувствительны к изменению состава и структуры ПМ, а также дефектность их поверхности и параметры трещино-стойкости. Для контроля этих параметров были разработаны методики и комплект малогабаритной бортовой аппаратуры, эксплуатировавшейся на космических станциях серии Салют, комплексе Мир и на Российском сегменте Международной космической станции (МКС).

Комплект аппаратуры включал 6 устройств, предназначенных для получения информации о состоянии образцов, ее обработки и передачи ее на Землю по телеметрии: "Торсион" и "Электротопограф" для станции Салют; "ЭРЭ" и "ДАНКО" для орбитального комплекса Мир, "КРТ" для МКС.

Аппаратура "ЭРЭ" позволяет дистанционно контролировать температуру образцов, емкость (С), показатель диэлектрических потерь (tg 5) и проводимость (О), передавая получаемые данные с помощью телеметрии на Землю для дальнейшей обработки. Объектами исследований служили отвержденные эпоксиаминные композиции, слоистые стекло-, органо-, и углепластики на их основе [2].

Емкость, пкФ

845 г

800 775

БАБАЕВСКИИ и др. образец-1.1.4 [ЭД + ДАДФМ] Т, °С = 20 ± 2

710 18 8 0.24 г

0.16

0.08

Ж

■I

0

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

Годы

Рис. 1. Изменение во времени емкости и тангенса угла диэлектрических потерь образца эпоксиаминной композиции при 20°С в процессе экспозиции с 1990 по 1999 г.

Испытания образцов в составе аппаратуры "ЭРЭ" осуществляли на станции Мир в течение 10 лет с 20.Х11 1989 г., в том числе в процессе беспилотного полета, что составляет мировой рекорд длительности эксперимента в космосе.

Обработка большого объема поступающей на Землю информации потребовала разработки авторского пакета прикладных программ. Созданные программы позволяют для каждого образца получать данные об изменении диэлектрических показателей во времени (за период времени от 1 месяца до 10 лет) для заданного узкого диапазона температур (максимальный разброс температур ±2 градуса) и от температуры (в интервале реально наблюдаемых температур) при выбранной длительности экспозиции (от одного месяца до 10 лет) или для заданной серии измерений.

На рис. 1 приведены примеры типичных зависимостей емкости и тангенса угла диэлектрических потерь ячеек с эпоксиаминной композицией от времени при различных температурах, полученные при обработке с помощью ЭВМ массива данных за 1990-1999 гг. для образца эпоксиаминной композиции [2-9].

На рис. 2 приведены типичные примеры зависимостей емкости и тангенса угла диэлектрических потерь для ячеек с эпоксиаминной композиции от температуры в интервале -60°...+120°С, полученные на базе данных за период экспозиции с февраля 1995 по декабрь 1996 г.

Аппаратура "Торсион" предназначена для дистанционного контроля за обратимыми и необратимыми изменениями динамических вязко-упругих свойств (жесткости и показателя потерь при низ-

ких частотах - порядка 10-2-101 Гц) полимерных композиционных материалов и их полуфабрикатов (препрегов) в условиях космического пространства. Аппаратура позволяет получать информацию о химических и физических превращениях в образах, деградации их структуры и свойств, накоплении дефектов непосредственно при воздействии ФКП.

Основой аппаратуры "Торсион" является малогабаритный прямой крутильный маятник с автоматической периодической задачей и записью свободных малоамплитудных низкочастотных колебаний. Маятник состоит из образца в виде жгута волокон, пропитанного исследуемой композицией или тонкого стержня из ПКМ, и закрепленной на конце инерционной массы [10, 11].

Аппаратура "Торсион" прошла апробацию на станции Салют-7 в мае 1984 года. Рабочий блок был закреплен в шлюзовой камере, а пульт управления находился внутри станции, и с его помощью осуществлялось управление работой аппаратуры. По телеметрии была получена информация об изменении вязко-упругих свойств образца, подтвердившая работоспособность аппаратуры в космических условиях.

На рис. 3 представлен пример экспериментальных данных, полученных с помощью аппаратуры при ее наземной отработке и опробовании в космических условиях, по изменению вязко-упругих свойств композиции редкосетчатый поливиниловый спирт - вода в процессе удаления (десорбции) воды в вакууме.

Аппаратура "ДАНКО" разработана для контроля деградации динамических вязко-упругих

образец-5.3.2 [ЭД + ГМДА] Февраль 1995-Декабрь 1996

Емкость, пкФ Проводимость, мкСм

1140

1045

950

855

760

1.40 г

1.05-

0.70-

0.35-

60 -15 30 75 T, °C

60 -15 30 75 T, °C

Рис. 2. Зависимость емкости и проводимости ячейки с эпоксиаминной композиции от температуры по данным за период II.95-XII.96 гг.

свойств ПМ при более высоких частотах, чем это позволяет аппаратура "Торсион" (10-103 Гц), непосредственно в условиях космического пространства, вызванной накоплением микро- и макродефектов в материале при воздействии ФКП [1, 11].

Рабочий блок аппаратуры крепится космонавтами за бортом станции, что позволяет подвергать воздействию ФКП испытуемые материалы, а пульт управления располагается внутри станции и предназначен для обработки поступающих сигналов и передачи полученных данных с помощью телеметрии на Землю.

Основой рабочего блока является малогабаритный автоматизированный маятник "язычкового" типа. Параметры свободных затухающих колебаний маятника (период - Т и логарифмический декремент затухания - А) рассчитываются и фиксируются с помощью пульта управления. Полученные значения Т и А позволяют рассчитывать абсолютные или относительные значения динамического модуля упругости при изгибе и показателя механических потерь исследуемых образцов.

В процессе наземной отработки с помощью аппаратуры "ДАНКО" определяли модули упругости образцов ПКМ с различным содержанием наполнителей. Было установлено, что разброс значений динамических модулей упругости при изгибе составлял не более 4%. Типичная зависимость изменения модуля упругости ПКМ от содержания наполнителя, полученная с помощью аппаратуры, приведена на рис. 4.

Аппаратура "Электротопограф" предназначена для определения кинетики накопления микро-

дефектов в поверхностных и приповерхностных слоях диэлектрических материалов в процессе экспозиции в условиях космического пространства.

Для проведения экспериментов в условиях космического пространства на станции Салют-7 разработано и изготовлено несколько поколений электротопографов (ТЭ-1 - ТЭ-7) [11, 12].

В комплект аппаратуры "Электротопограф", помимо собственно прибора, входит специальная кассета с 12-тью образцами размером 40 х 40 х 4 мм,

т, мин

Рис. 3. Пример кинетических кривых: относительной жесткости АС (1, Г) и декремента затухания А (2,2'), полученных с помощью аппаратуры "Торсион" при наземной отработке в процессе десорбции НМВ из сшитого ПВС (3.2 мас. % ВаТМФ) при температуре 23°С (1, 2) и разрежении 0.1 мм рт. ст. и в космических условиях в шлюзовой камере (Г, 2')

Рис. 4. Зависимость динамического модуля упругости при изгибе ПКМ на основе эпоксиаминной композиции со стеклотканью Т-10 от содержания наполнителя (ф, мас. %) при наземной отработке при температуре 23°С, полученная с помощью аппаратуры "ДАНКО"

предназначенная для экспозиции образцов за бортом ОК. Собственно прибор состоит из трех функц

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком