Ученые и студенты Самарского университета им. Королёва разработали и испытали прототип компактного космического твердомера. Это прибор, с помощью которого можно будет на орбите измерять твердость металла, например, обшивки космической станции или других внешних конструкций, сообщила пресс-служба вуза.
По словам исследователей, такие измерения нужны для оценки прочности материала: насколько металл с течением времени деградирует, «устает» в космосе, утрачивая твердость под воздействием различных факторов космического пространства — микрометеоритов, космической радиации, вакуума, перепадов температуры.
От других твердомеров самарская разработка отличается инновационной конструкцией, позволившей сделать измерительный прибор более легким, компактным и энергоэкономичным. В числе шести разработчиков — ученые, инженеры и студенты старших курсов университета. Научный руководитель — Федор Васильевич Гречников, академик РАН, профессор кафедры обработки металлов давлением Самарского университета им. Королёва. Проект стал одним из восьми финалистов конкурса инновационных проектов акселератора Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия».
«Под воздействием факторов космического пространства — глубокого вакуума, радиации, перепадов температуры, потоков твердых микрочастиц — идет постоянное изменение свойств различных материалов, используемых в космических аппаратах, прежде всего, конечно же, металлов. Происходят температурные деформации, дегазация, изменяется кристаллическое строение металла, в результате снижается прочность, уменьшаются надежность и долговечность конструкций. Поэтому очень важно отслеживать актуальное состояние, например, обшивки космических станций. К сожалению, использовать на орбите обычные „земные“ твердомеры соответствующего класса довольно проблематично: они, как правило, тяжелые, достаточно объемные и энергозатратные. В рамках проекта был разработан и изготовлен опытный демонстрационный образец компактного твердомера, который, как мы считаем, оптимально подойдет для использования в космосе. По сравнению с аналогичными по классу приборами, в том числе зарубежного производства, у нашего твердомера масса и габариты гораздо меньше — примерно в десять раз, кроме того, у него в разы ниже энергопотребление. При этом прибор полностью соответствует всем требованиям ГОСТа по измерению твердости», — рассказал Федор Гречников, академик РАН, профессор кафедры обработки металлов давлением Самарского университета им. Королёва.
Существуют различные методы измерения твердости и разные виды твердомеров, но принцип работы у большинства из них почти один и тот же: на поверхность материала оказывается некое механическое воздействие, по результатам которого (например, по площади или глубине образовавшейся вмятинки — отпечатка или царапины) определяется твердость испытываемого материала. Для такого воздействия на металл прибору, разумеется, требуется соответствующая сила.
В стационарных механических твердомерах применяется мощный электромеханический привод с электродвигателем и редуктором. Однако вес такого твердомера в результате может составлять несколько десятков килограммов, доходя порой до центнера, при этом по размерам прибор вполне сравним с навесным кухонным шкафом.
Чтобы создать более компактный прибор, самарские разработчики изменили конструкцию: вместо привода с электродвигателем и редуктором они использовали специальный проволочный силовой элемент, изготовленный из нитинола (сплава никеля и титана). Этот особый сверхупругий сплав обладает «памятью формы».
Если из него изготовить какую-нибудь деталь, пусть даже самой сложной формы, а потом нагреть эту деталь до определенной температуры, то сплав «запомнит» эту форму. Если потом, после остывания, деталь деформировать — растянуть, расплющить, согнуть, а потом, спустя время, вновь нагреть ее до температуры немного выше 40°С, то сплав «вспомнит» прежнюю форму детали и точно восстановит ее, причем восстанавливать будет с огромной силой.
Силовое воздействие возникает из-за перестройки кристаллической решетки нагревающегося сплава. В самарском твердомере проволока из нитинола всего за несколько секунд разогревается проходящим по ней током до 80 °С. При этом, как показали эксперименты, проволока диаметром всего 1 мм при нагревании развивает усилие до 50 кг, проволока диаметром 1,5 мм — до 100 кг, а силовой элемент в виде нитиноловой пластины размерами сечения 1×5 мм дает усилие уже более 200 кг. Это усилие от силового элемента передается на специальный «щуп» — инструмент с алмазным наконечником, который давит на измеряемый материал, а датчики прибора помогают определить твердость этого материала. Габариты опытного демонстрационного образца компактного твердомера составили всего 150×70×50 мм, общий вес прибора — около 5 кг.
«Опытный демонстрационный образец твердомера уже опробован в действии и испытан, правда, пока, конечно, на Земле, а не в космосе. Испытания подтвердили работоспособность примененного инновационного решения. В будущем такой прибор можно будет использовать для оценки состояния материала в обследуемых наружных точках корпуса космической станции — например, с помощью робота-манипулятора. Кроме того, на основе такого твердомера можно создать испытательный стенд, который будет длительное время работать за бортом космической станции, проводя в открытом космосе в автоматическом режиме измерения твердости новых перспективных материалов для космических аппаратов. На Земле такие испытания новых материалов провести просто невозможно — из-за невозможности одновременного воздействия на образец всех факторов космического пространства», — отметил Владимир Глущенков, доцент кафедры обработки металлов давлением Самарского университета им. Королёва.
Предварительная схема испытательного стенда с привязкой к конструкции космической станции уже разработана. Возможно, в будущем такой стенд будет работать на создаваемой Российской орбитальной станции (РОС).
Результаты испытания новых материалов планируется использовать при создании и эксплуатации машин и механизмов, работающих на Луне и других планетах. По мнению ученых, в отдаленной перспективе подобное оборудование может пригодиться для исследования свойств металлов, которые планируется добывать на естественном спутнике Земли.
.jpg)
