Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Пересвет
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: 7. Технические исследования и эксперименты
Наименование эксперимента: Изучение воздействия факторов космического пространства на оптически прозрачные защитные покрытия и исследование метода ремонта экспериментальных образцов стекол иллюминаторов РС МКС
Цель эксперимента:

-изучение влияния факторов космического пространства на технические характеристики разрабатываемых прозрачных защитных покрытий на стеклянных подложках.

-исследование метода ремонта экспериментальных образцов стекол иллюминаторов РС МКС, имеющих на поверхности кратеры в зоне ударного воздействия высокоскоростных твердых микрочастиц.

 

 

Описание эксперимента:

Общие цели и обоснование КЭ

В последнее время для увеличения ресурса работы стекол иллюминаторов и ФЭП СБ ведутся активные разработки в области получения защитных оптически прозрачных тонких пленок и покрытий. К таким покрытиям предъявляются жесткие требования к прозрачности, трещиностойкости, микротвердости, ударной стойкости.

Исследуемые в рамках проведения КЭ металлокерамические нанокомпозитные покрытия на основе системы Si-Al-N повышают микротвердость кварцевых стекол в 2,5 раза, трещиностойкость и коэффициент упругого восстановления в 1,5 раза, при этом они являются прозрачными в видимом диапазоне света. Стекла иллюминаторов КА и покровные стекла с нанесенными на их поверхность оптически прозрачными противометеороидными покрытиями, применяемые в качестве защиты фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей с целью повышения срока службы, являются впервые создаваемой продукцией, не имеющей мировых аналогов.

Образование кратера, окруженного микротрещинами, при ударе высокоскоростной твердой микрочастицы приводит к понижению изгибной прочности и термоциклической стойкости стеклянной пластины и вследствие этого к снижению срока службы иллюминатора КА. Поверхностная обработка высокоэнергетическим потоком ионов (электронов) способна остановить рост микротрещин в поврежденном поверхностном слое стекла, расширяющихся в результате термоциклирования при переходах КА из освещенной зоны в теневую и наоборот и, таким образом, практически полностью восстановить ресурс работы иллюминатора. Таким образом, актуальной является задача ремонта поврежденных стекол иллюминаторов путем высокоэнергетической поверхностной ионной обработки в открытом космосе. Постановка КЭ в этом направлении осуществляется впервые в мировой практике.

Основные научно-технические задачи КЭ:

Для достижения поставленной цели при проведении КЭ должны быть решены следующие задачи:

- исследование влияния факторов космического пространства на механические, оптические характеристики, радиационную стойкость, структуру и состав поверхностного слоя имитаторов стекол иллюминаторов РС МКС и ФЭП СБ с нанесенными прозрачными защитными покрытиями различных составов при длительном экспонировании на внешней поверхности МКС в условиях открытого космоса;

- получение экспериментальных данных по изменению во времени технических характеристик имитаторов ФЭП СБ с прозрачными защитными покрытиями различных составов, характеризующих процесс деградации их в космических условиях;

- исследование метода ремонта экспериментальных образцов стекол иллюминаторов РС МКС, имеющих на поверхности кратеры с заданными параметрами, с помощью ремонтного инструмента на внешней поверхности МКС в условиях открытого космоса, возвращение отремонтированных в космосе экспериментальных образцов стекол иллюминаторов на Землю, проведение их исследований и получение экспериментальных данных о возможностях ремонта стекол иллюминаторов на внешней поверхности РС МКС в условиях открытого космоса.

 

Новизна эксперимента:

В последнее время для увеличения ресурса работы стекол иллюминаторов и ФЭП СБ ведутся активные разработки в области получения защитных оптически прозрачных тонких пленок и покрытий. 

К таким покрытиям предъявляются жесткие требования к прозрачности, трещиностойкости, микротвердости, ударной стойкости. Так, отечественными разработчиками разработаны прозрачные защитные покрытия на основе диоксида кремния с повышенными показателями микротвердости и стойкости к царапанию [1]. 

Недостатком этих покрытий является небольшое увеличение микротвердости стекол (до 10 ГПа), а также сложный многоэтапный технологический процесс, не позволяющий получить изделие в едином технологическом цикле и требующий большой номенклатуры применяемого технологического оборудования. Также ведутся разработки по получению прозрачных защитных покрытий методом магнетронного распыления. Для получения таких покрытий применяются разнообразные материалы, например на основе системы ZnO-Ga [2] или системы In-Sn-O [3]. 

Однако получаемые таким способом покрытия не обладают достаточной микротвердостью и трещиностойкостью для эксплуатации в агрессивных условиях открытого космоса. Исследуемые в рамках проведения КЭ металлокерамические нанокомпозит-ные покрытия на основе системы Si-Al-N повышают микротвердость кварцевых стекол в 2,5 раза, трещиностойкость и коэффициент упругого восстановления в 1,5 раза, при этом они являются прозрачными в видимом диапазоне света [4–6]. Стекла иллюминаторов КА и покровные стекла с нанесенными на их поверхность оптически прозрачными противометеороидными покрытиями, применяемые в качестве защиты фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей с целью повышения срока службы, являются впервые создаваемой продукцией, не имеющей мировых аналогов. Образование кратера, окруженного микротрещинами, при ударе высокоскоростной твердой микрочастицы приводит к понижению изгибной прочности и термоциклической стойкости стеклянной пластины и вследствие этого к снижению срока службы иллюминатора КА.

Поверхностная обработка высокоэнергетическим потоком ионов (электронов) способна остановить рост микротрещин в поврежденном поверхностном слое стекла, расширяющихся в результате термоциклирования при переходах КА из освещенной зоны в теневую и наоборот и, таким образом, практически полностью восстановить ресурс работы иллюминатора. Таким образом, актуальной является задача ремонта поврежденных стекол иллюминаторов пу-тем высокоэнергетической поверхностной ионной обработки в открытом космосе. Постановка КЭ в этом направлении осуществляется впервые в мировой практике.

 

Научная аппаратура:

Состав научной аппаратуры:

-блок научной аппаратуры А, выполненный в виде раскрываемой «книги», в каждой половине которой установлено и закреплено по одной кассете.

В одной из кассет размещены в фиксированных положениях для экспонирования в открытом космосе эталонные и исследуемые (с защитным покрытием) имитаторы стекол иллюминаторов РС МКС, во второй – эталонные и исследуемые (с защитным покрытием) ФЭП СБ и имитаторы покровных стекол ФЭП СБ соответственно. Блок научной аппаратуры А предназначен для хранения и экспонирования имитаторов стекол иллюминаторов РС МКС и ФЭП СБ, сбора и передачи экспериментальных данных и исследования влияния факторов космического пространства на механические, оптические характеристики, радиационную стойкость, структуру и состав поверхностного слоя имитаторов стекол иллюминаторов РС МКС и ФЭП СБ с нанесенными прозрачными защитными покрытиями различных составов при длительном экспонировании на внешней стороне МКС в условиях открытого космоса, а также для получения экспериментальных данных по изменению во времени технических характеристик имитаторов ФЭП СБ с прозрачными защитными покрытиями различных составов, характеризующих процесс деградации их в космических условиях;

- блок научной аппаратуры Б, который предназначен для установки кассеты с экспериментальными образцами ремонтируемых стекол иллюминатора РС МКС с кратерами заданных параметров и установки в рабочее положение экспериментального образца ремонтного инструмента;

- экспериментальный образец ремонтного экспериментальный образец инструмента для стекла, который предназначен для проведения исследования метода и режимов ремонта экспериментальных образцов стекол иллюминаторов РС МКС с кратерами заданных параметров в условиях открытого космоса.

Место крепления аппаратуры на корпусе РС МКС должно обеспечивать неподвижную фиксацию на корпусе РС МКС, а также быстроту и удобство монтажа и демонтажа. Используемые комплектующие должны соответствовать требованиям, предъявляемым к аппаратуре ракетно-космической техники.

Монтаж и развертывание блока научной аппаратуры А, предназначенной для размещения, хранения и экспонирования имитаторов стекол иллюминаторов РС МКС и ФЭП СБ, выполняется в течение одного сеанса внекорабельной деятельности. Монтаж и развертывание аппаратуры необходимо производить при прохождении солнечного участка орбиты МКС.

Последовательность операций выполняемых космонавтами при реализации первого сеанса эксперимента:

- подготовка блока научной аппаратуры А;

- транспортировка аппаратуры на внешнюю поверхность корпуса РС МКС при внекорабельной деятельности;

- монтаж блока научной аппаратуры на поверхности корпуса РС МКС при внекорабельной деятельности;

- развертывание и фиксация в рабочем положении блока научной аппаратуры при внекорабельной деятельности;

- подключение блока научной аппаратуры к информационной управляющей системе РС МКС и бортовой системе электропитания при внекорабельной деятельности;

- возвращение экипажа на борт РС МКС.

Экспозиция блока научной аппаратуры А в ходе КЭ предусматривается в течение не менее 12 мес.

 

Ожидаемые результаты:

Результаты испытаний позволят оценить динамику изменения эксплуатационных характеристик имитаторов стекол иллюминаторов и фотоэлектрических преобразователей с нанесенными прозрачными защитными покрытиями с учетом воздействия факторов космического пространства.

Полученные сведения будут использованы для корректировок режимов нанесения оптически-прозрачных нанокомпозитных защитных покрытий с целью улучшения их технических характеристик и определения возможности дальнейшего использования их при создании ракетно-космической техники:

– в производстве иллюминаторов КА с увеличенным сроком службы;

– в производстве фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей КА с повышенным ресурсом работы

– в производстве тепловых радиаторов с повышенным сроком службы.

Результаты исследований метода ремонта экспериментальных образцов стекол иллюминаторов РС МКС, имеющих на поверхности кратеры в зоне ударного воздействия высокоскоростных твердых микрочастиц, позволят сформулировать и выдать практические рекомендации о возможности ремонта стекол иллюминаторов РС МКС в условиях открытого космоса, разработать техническое задание на опытный образец ремонтного инструмента и технологию ремонта стекол РС МКС.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 2018-2020 гг.
Состояние эксперимента: Новый
Организация постановщик: ПАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева, 141070, Московская область, г. Королев, ул. Ленина, д.4а
Организации участники: Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) — участник КЭ в части разработки и изготовления аппаратуры КЭ и объектов исследования КЭ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ) — участник КЭ в части разработки и изготовления объектов исследования КЭ и обработки и анализа экспериментальных данных; Национальный исследовательский Томский государственный университет» (НИ ТГУ) – участник КЭ в части разработки и изготовления объектов исследования КЭ и обработки и анализа экспериментальных данных; ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» — участник КЭ в части планирования и организации подготовки экипажей к проведению КЭ. ЦНИИмаш (ЦУП) — участник КЭ в части координации работы ГОГУ РС МКС и ЦУП.
Научный руководитель: Псахье С. Г., ИФПМ СО РАН, директор, член-корр. РАН; Чернявский А.Г., ПАО РКК «Энергия», советник ген. директора
Публикации по эксперименту:

1. Патент №2518612 РФ. Способ получения покрытий на основе диоксида кремния МПК С03С17/25 Л.А. Орлова, А.А. Степко, А.С. Чайникова, Е.Г. Винокуров, Н.В. Попович; ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»; Заявл. 12.03. 2013; Опубл.10.06.2014,[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2518612.

2. Патент №2451768РФ. Способ получения прозрачных проводящих покрытий МПК С23С14/08 Сочугов Н.С., Захаров А.Н., Соловьев А.А., Работкин С.В. Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН. Заявл. 21.12.2009;Опубл. 27.05.2012, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2451768.

3. Патент №2448197РФ. Способ нанесения прозрачного электропроводящего покрытия МПК С23С014/20 Березин Н.М., Богатов В.А., Хохлов Ю.А.; РФ; Заявл. 05.04.2011; Опубл.20.04.2012, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://allpatents.ru/patent/2448197.html.

4. Sergeev V.P., Panin V.E., Psakhie S.G., Chernyavskii A.G., Svechkin V.P., Khristenko Yu.f., Kalashnikov M.P. and Voronov A.V. Magnetron deposition of metal-ceramic protective coatings on glasses of windows of space vehicles// AIP Conference Proceedings – 2014. – V. 1623. – P.563-566.

5. Bozhko Irina A., Rybalko Evgeniya V., Fedorishcheva Marina V., Vorobiev Yurii A., Magzhanov Rais M., Chernyavsky Alexander G., Sergeev Victor P. Investigation of the Microstructure and Mechanical Properties of Si-Al-N Transparent Coatings // Key Engineering Materials, 2016, Vol. 683, pp 262-268.

6. Решение РОСПАТЕНТ о выдаче патента на изобретение от 16.11.2016 г. по заявке № 2015123046/02(035994) Панина В.Е., Псахье С.Г., Сергеева В.П., Свечкина В.П., Соловьева В.А., Чернявского А.Г., Чубика П.С., Яковлева А.Н. Стекло с оптически прозрачным защитным покрытием и способ его изготовления.

 

Последнее обновление: 16.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения