Мало кому известно, но многое разработки для российской космической отрасли создаются в далёком сибирском Томске. Особенно важные достижения, открывающие большие перспективы, были сделаны здесь в последние годы. Итак, благодаря томским учёным стало возможным:
Не встретиться с дугой на орбите:
Поскольку создание любого космического аппарата требует огромных научных и финансовых вложений, очень важно, чтобы при выходе в космос не произошло ничего, что бы вывело его из строя и поставило крест на проекте. Одна из самых серьезных угроз здесь — пробой в электрических цепях. С каждым годом энергоемкость космических аппаратов наращивается (сейчас бортовые напряжения достигают 100 вольт), и это резко повышает риск зажигания вакуумной дуги, которое неизбежно вызывает сбой в работе оборудования или даже его разрушение. В мировой практике известны случаи выгорания солнечных батарей на европейских спутниках.
С 2013 года в Институте сильноточной электроники СО РАН разрабатывают систему комплексной диагностики бортового оборудования космических аппаратов на предмет устойчивости к дугообразованию. В рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» выполняется поисковое научное исследование, инициированное технологической платформой РФ «Национальная информационная спутниковая система». Оно объединяет ученых и разработчиков из ИСЭ СО РАН, томских вузов — ТПУ, ТГУ и ТУСУР, а индустриальным партнером является ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнева» (ИСС). Проект возглавляет заведующий лабораторией вакуумной электроники ИСЭ СО РАН Александр Батраков. Ежегодно в течение трех лет на финансирование этих работ будет направляться по 15 миллионов рублей бюджетных средств, а привлеченные дополнительные средства достигнут 55 миллионов рублей: это и деньги ИСС, и вложения ИСЭ СО РАН.
— В настоящее время отсутствуют способы неразрушающего контроля, позволяющие проводить диагностику отдельных частей электротехнического оборудования. Одна из главных задач нашего проекта — предложить такие методы, чтобы можно было проверить электрическую прочность каждой электронной платы в условиях искусственной «космической» плазмы еще на земле, увидеть и исключить те слабые места, в которых может произойти вакуумный пробой. Это позволит обезопасить электронику космического аппарата в условиях реального космоса, —рассказывает Александр Владимирович.
У каждого из участников проекта — своя задача. В ТГУ ведутся теоретические исследования, в ТПУ создаются изоляционные материалы и кабели, а ТУСУР разрабатывает комплекс компьютерных программ. ИСЭ СО РАН конструирует уникальное дефектоскопическое оборудование, позволяющее тестировать детали аппаратуры на вероятность образования вакуумной дуги и исследовать электроразрядные процессы, которые могут происходить внутри космического корабля.
Результаты этих исследований важны в первую очередь для обеспечения бесперебойной работы спутников связи с большой излучаемой мощностью, покрывающих сигналом огромные территории. Осенью 2015 года будет собран экспериментальный образец диагностической установки, тестирование которого проведёт индустриальный партнер проекта — ОАО «Информационные спутниковые системы». В 2017 году опытно-конструкторские образцы передадут в НПЦ «Полюс», где будет продолжена отработка методики тестирования бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов.
Достигнуть идеального состояния сплава:
Специально для авиакосмической отрасли учёными были разработаны новые высокопрочные легкие алюминиевые сплавы. Однако здесь есть одно «но»: они не поддаются сварке традиционными методами. Необходимо применять новейший способ создания неразъемных соединений: сварку трением с перемешиванием. Суть его заключается в том, что плавления металла не происходит, а сам шов формируется за счет фрикционного нагрева и сверхинтенсивной пластической деформации. Диагностировать состояние соединения, полученного таким образом, без глубоких знаний закономерностей этого процесса невозможно.
С 2013 года, согласно постановлению российского правительства, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (являющийся одним из мировых лидеров в области фундаментальных исследований многоуровневых механизмов пластической деформации) совместно с ОАО «Ракетно-космическая корпорация “Энергия” им. С.П. Королева» и Томским политехническим университетом разрабатывают технологию контроля качества полученных этим методом соединений.
— Это имеет принципиальное значение: ведь речь идет о выявлении различных дефектов, которые могут отрицательно сказаться на работе космического аппарата. В реальных условиях все должно быть безупречно: от этого зависит не только престиж России на мировой арене, но и жизни людей, — говорит заведующий лабораторией контроля качества материалов и конструкций ИФПМ СО РАН Евгений Колубаев. — Комплексное применение выбранных методов неразрушающего контроля не случайно, оно позволяет максимально достоверно выявлять дефекты различного типа, характерные для сварки трением с перемешиванием. Применение такого комплексного решения обеспечит надежность сварных соединений космической техники из алюминиевых сплавов.
Анализ методов неразрушающего контроля, применяемых ведущими мировыми производителями авиакосмической техники, такими как «Thales Alenia Space» и «Airbus», показал уникальность предложенного томскими учёными подхода. По признанию специалистов, сегодня это лучший в мире комплекс такой диагностики.
Устоять под бомбардировкой микрометеоритов:
Другой проект, связанный с космической тематикой, ИФПМ СО РАН выполняет в той же связке (с ТПУ и ОАО «РКК “Энергия”»). Он посвящён решению проблемы защиты стекол иллюминаторов космических аппаратов от многочисленных поверхностных разрушений, вызванных бомбардировкой микрометеоритами и космическими мусором. Это крайне непростая задача, ведь необходимо сохранить оптические свойства стёкол.
Томским учёным удалось решить эту проблему с помощью создания технологии магнетронного нанесения специальных покрытий.
— В состав такого покрытия (которое со стороны кажется двуслойным) входят более десяти элементов таблицы Менделеева, — рассказывает заведующий лабораторией материаловедения покрытий и нанотехнологий Виктор Сергеев. — Каждый из слоев имеет свою функцию. Одни решают задачу повышения ударной, термоциклической и радиационной стойкости, другие —делают материал прозрачным и так далее.
В 2014 году прошли испытания изобретения: на легкогазовой пушке разгоняли микрочастицы железа со средним размером около 50 микрометров до скоростей 5–8 километров в секунду и направляли их в стекло. После нанесения покрытия число кратеров, образующихся на его поверхности, уменьшилось в три раза. В результате в ОАО «РКК “Энергия”» было принято решение защищать таким образом иллюминаторы перспективных космических кораблей и модулей Международной космической станции. Эта работа будет выполняться в ИФПМ СО РАН, где в 2015 году совместно с ТПУ запустят технологическую линию по нанесению защитных покрытий на стекла иллюминаторов.
Сегодня в работе находятся четыре космических эксперимента с участием Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Общая сумма проектов и контрактов, выполняемых совместно с томскими университетами, перевалила за 400 миллионов рублей.
Обеспечить «безоблачный» взлёт:
Сложнейший процесс запуска космического аппарата процесс всегда обеспечивается работой целого ряда устройств и приборов, контролирующих состояние окружающей среды и, в частности, метеорологической ситуации в районе космодрома. В решении этой задачи используются и достижения томской академической науки и бизнеса. В конце 2014 года на космодром «Восточный» была поставлена партия автономных метеорологических комплексов, разработанных и произведенных Институтом мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и инновационной компанией «Сибаналитприбор».
В ИМКЭС СО РАН постоянно ведутся работы по созданию автоматических метеорологических станций нового поколения. В основе разработок лежит уже известная АМК–03, в которой реализован ультразвуковой метод измерения характеристик ветра и температуры воздуха. Она обладает очень высокими эксплуатационными свойствами и соответствует самым строгим требованиям. Все процессы измерения, регистрации и передачи информации в ней полностью автоматизированы, станция может работать без людей в режиме более года.
Избежать встречи с космическим мусором:
Одной из самых острых проблем для освоения космоса является скопление «космического мусора», вращающегося по орбитам вокруг нашей планеты. Он перемещается в околоземном пространстве со скоростью около 8 километров в секунду, поэтому важно избежать столкновения с таким объектом. Создание и использование наземных средств оптического зондирования и мониторинга околоземного пространства является одной из самых актуальных задач для космической отрасли.
В России осуществляется проект по разработке и размещению на территории нашей и других стран (Бразилия, ЮАР) станций космического мониторинга с использованием квантово-оптических систем (КОС) в системе «ГЛОНАСС». Они снабжены комплексами аппаратуры для измерения астроклиматических и метеорологических параметров, созданными в Институте оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН.
В круглосуточном режиме работы комплекс обеспечивает КОС информацией по ряду параметров: яркость фона, прозрачность атмосферы, скорость и направление движения облаков и других наблюдаемых объектов, в том числе «космического мусора». В приземном слое измеряются метеопарамеры: температура воздуха, давление, скорость и направление движения воздушного потока, влажность, наличие осадков (дождь, снег).
В отличие от своего аналога — метеорадиолокатора — это устройство работает в оптическом диапазоне спектра, что позволяет регистрировать не только жидкокапельные облака, но и те, которые состоят из ледяных кристаллов. Комплекс может быть востребован при обеспечении взлетов и посадок самолетов в крупных аэропортах, а также в астрономических обсерваториях, рекреационных зонах и других местах, где требуется тщательный контроль оптико-физического состояния окружающего атмосферного пространства.
В 2014 году разработанные в ИОА СО РАН комплексы аппаратуры успешно завершили государственные испытания и были приняты к эксплуатации. Важно отметить, что именно они обеспечивают бесперебойную работу квантово-оптических систем (в частности, той, которая была разработана ОАО «Научно-производственная корпорация “Системы прецизионного приборостроения”» и размещена на территории столичного университета в г. Бразилиа).
В ОАО «НПК “СПП”» надеются, что расположение станций на территории Бразилии позволит повысить точность эфемеридно-временной информации и улучшить характеристики системы «ГЛОНАСС» в целом. В настоящее время ведутся переговоры с рядом стран (Куба, ЮАР, Китай, Австралия, Индонезия и другие) по размещению сети квантово-оптических станций в рамках создания системы «ГЛОНАСС».
Ольга Булгакова, Татьяна Гавриловская
Фото: предоставлены ТНЦ СО РАН, из открытых источников
