Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: СВС
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: 2. Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) в космосе
Цель эксперимента:

Целью КЭ "СВС" является установление механизма горения и структурообразозания СВС-систем в условиях невесомости.

Описание эксперимента:

Космический эксперимент «СВС» выполнялся на РС МКС в период с 2005 по 2010 г.г. В самораспространяющемся высокотемпературном синтезе используется внутреннее тепло экзотермической химической реакции между смешанными поршкообразными компонентами. Это позволяет проводить процесс без использования постоянных внешних источников нагрева, в любой атмосфере или в вакууме, с использованием относительно простого технологического оборудования. Экстремальные условия волны горения позволяют получать пористые материалы с различной микроструктурой и фазовым составом. В частности для космических экспериментов, использующих условия микрогравитации, были выбраны реакционные смеси следующих составов: Ti-C, Ti-Si, Ni-Al, NiO-Al-Ni, Ti-C-Ni-Al, Ti-C-Ni-Mo, Nb2O5-Ti, CrO3 - Al, NiO -Al, FeO - Al, Ti -C - B, Ti - С - Ni.

Объекты исследования представляют собой образцы, спрессованные из смеси порошков металлов и неметаллов. Каждый образец помещался в кварцевой ампуле, предохраняющей от загрязнения внутреннею поверхность герметичного блока экспериментальной установки и все оптические элементы, расположенные в нём.

Схема проведения.

КЭ проводится на борту МКС на установке, которая была создана на основе имеющегося в ИСМАН опыта и существующих разработок. Универсальная установка позволит проводить КЭ как в вакууме, так и в различных средах (рабочей атмосфере). Схема экспериментальной установки была отработана при проведении исследований параметров горения в земных условиях в ИСМАН (сила тяжести равна lg). Синтез проводится в реакционной камере, представляющей собой металлический цилиндрический сосуд с кварцевыми окнами для визуальных наблюдений и видеосъемки, электрическими вводами для инициирования процесса горения нагревательной спиралью.

Определение основных макрокинетических параметров горения, температуры и скорости, будет проводиться на основе видеосъемки процесса. Сбор информации осуществлялся аппаратурой "Телесайенс" из комплекта НА «Плазменный кристалл-3».

Новизна эксперимента:

Решение установление механизма горения и структурообразования СВС-систем в условиях невесомости задачи позволит получать тугоплавкие материалы с уникальной структурой пен или зернистых каркасов, которые являются эффективными теплоизолирующими материалами для применения в космической технике.

Известно, что в определенных случаях, основным явлением, приводящим к росту размеров микроструктурных составляющих и их неравномерному распределению по объему материала, является конвекция. Проведение синтеза в условиях невесомости позволит значительно уменьшить влияние этого явления и получать материалы с уникальной структурой.

В рамках выполнения КЭ были реализованы четыре основных направления исследований:

• исследование влияния гравитации на механизмы "безгазового" горения и структурообразования продуктов с целью получения высокопористых тугоплавких материалов и композитов с мелкодисперсной однородной структурой;

• исследование влияния гравитации на формирование микро- и макроструктуры СВС материалов;

• использование СВС-процессов как технологических приемов для ремонтно-восстановительных работ на борту космических аппаратов;

• проведение объёмных процессов СВС в условиях низкой плотности и разреженности реакционной смеси (создания пылевого облака) в условиях микрогравитации.

Научная аппаратура:

При реализации КЭ использовалась "Исследовательская камера СВС" (НА «ИК СВС») состоящая из сменного герметичного контейнера (рис. 2), с комплектом экспериментальных ампул (рис. 3)) и набора контрольно-измерительных приборов (видеокамер, системы электропитания и др.).

Основные технические характеристики "Исследовательской камеры СВС":

• объем - до 10 л;

• масса -до 10 кг;

• энергопотребление за один сеанс КЭ:

- максимальное (до 20 сек) - до 200 Вт;

- среднее (до 10 мин) -150 Вт.

НА «ИК СВС» включает в себя специальные держатели образцов и кварцевые ампулы для защиты герметичного барабана от конденсированных (пылевых) веществ, частиц и газа.

Рис. 1. Схема установки образцов в капсуле. 1 – образец; 2 – алюминиевая фольга; 3 – фиксирующее кольцо из BN; 4 – основание из BN; 5 – прижимное кольцо; 6 – слой из 5Ti+3Si; 7 – инициирующая смесь; 8 – инициирующая спираль.

Рис. 2. Внешний вид сменного герметичного контейнера.

Рис. 3. Внешний вид экспериментальных ампул.

Рис. 4. Вид сгоревших образцов после вскрытия капсул.

Ожидаемые результаты:

В рамках КЭ ожидалось исследовать:

• влияние гравитации на механизмы "безгазового" горения и структурообразования продуктов с целью получения высокопористых тугоплавких материалов и композитов с мелкодисперсной однородной структурой;

• влияние гравитации на формирование микро- и макроструктуры СВС материалов;

• возможность проведения процесса СВС в условиях низкой плотности и разреженности реакционной среды;

• возможность использования СВС-процессов как технологических приемов для ремонтно-восстановительных работ на борту космических аппаратов.

На основе полученных результатов и знаний о механизмах структурообразования, предполагалось получить высокопористые тугоплавкие теплоизоляционные материалы с низкой теплопроводностью.

Полученные результаты:

В рамках проведенных экспериментов были Установлены механизмы горения и структурообразования в СВС-системах в условиях микрогравитации; разработаны методы синтеза высокопористых тугоплавких теплоизолирующих материалов с уникальными свойствами.

Также были получены материалы с зернистыми каркасами, пенообразные материалы на основе СВС-систем и проведены эксперименты по получению покрытий и соединений методом СВС, СВС-сварке и СВС-пайки в космических условиях. Исследование материалов, полученных методом СВС в условиях длительной микрогравитации, показало перспективность получения высокопористых пенообразных материалов, а так же покрытий для использования их в авиакосмической индустрии в условиях невесомости. Проведенные эксперименты показали возможность использования СВС-сварки, СВС-наплавки и СВС-пайки в условиях микрогравитации для решения технологических и ремонтно-восстановительных задач на борту МКС.

На основании полученных результатов рекомендуется:

• использование имеющегося научного задела для технологических работ, полезных для космических станций (сварка, наплавка, герметизация отверстий, залечивание дефектов и т.д.);

• исследование возможности проведения СВС реакций с участием лунного грунта как исходного материала с целью дальнейшего освоения космического пространства;

• продолжение исследований за счет расширения спектра задач по изучению влияния длительной микрогравитации на различные процессы СВС (капиллярное растекание, кинетика высокотемпературного взаимодействия металлов с компонентами различных СВС-составов, сварка материалов одинакового состава и т.д.);

• использование тепла реакций протекающих в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, как источника энергии для осуществления слабоэкзотермических реакций, протекание которых возможно только в режиме теплового взрыва; это даст возможность использовать имеющееся оборудование с максимальной эффективностью и получить дополнительную научную и практическую информацию;

• учитывать полученные опыт и экспериментальные данные при разработке и создании научной аппаратуры и проведении исследований в условиях длительной микрогравитации на КА «Фотон-М» № 4.

Сроки проведения: январь 2005 г. – декабрь 2010 г.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: ФГБУ ИСМАН РАН
Организации участники: ОИВТ РАН, ФГУП ЦНИИмаш, ОАО РКК «Энергия»
Научный руководитель: Мержанов А.Г., ИСМАН РАН, академик РАН (координатор – Сычев А.Е., к.т.н.)
Публикации по эксперименту:

1. Отчет «Обработка и комплексный анализ результатов, полученных в завершённом КЭ «СВС»», 2011 г.

2. О.К. Камынина, С.Г. Вадченко, А.Е. Сычев. Результаты СВС-экспериментов, проведенных на борту МКС. Космический форум 2011, посвященный 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, 18-21 октября 2011 года, ЦПК им. Ю.А. Гагарина, г. Звездный, Сборник материалов, стр. 48-49.

3. V. A. Shcherbakov, A. E. Sytschev, and N. V. Sachkova. Interaction of SHS-Produced Melt with a Ti Surface in Microgravity Conditions. International Journal of Self_Propagating High_Temperature Synthesis, 2010, Vol. 19, No. 2, pp. 141–149.

4. В. Н. Санин, В. И. Юхвид, А. Е. Сычев, Н. В. Сачкова, М. Ю. Ширяева. Влияние микрогравитации на состав продуктов СВС СМЕСИ NiO + Ni + Al + WC Неорганические материалы том 45, № 6, Июнь 2009, С. 694-703.

5. Камынина О.К., Сычев А.Е., Вадченко С.Г., Максимова М.М., Иванов А.И., Левтов В.Л. Синтез пористой керамики на основе никелида титана в условиях микрогравитации. Пилотируемые полеты в космос. Звездный городок, 28-29 октября 2009 г. Сборник тезисов VIII Международной научно-практической конференции, стр.140.

6. S. G. Vadchenko and A. E. Sytschev. SHS in Microgravity: The Ti–Si–Al–C System. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2008, Vol. 17, No. 2, pp. 149–153.

7. А.И. Иванов, М.М. Максимова, А.Е. Сычев,С.Г. Вадченко, В.Н. Санин, А.С. Рогачев, В.И. Юхвид, В.М. Шкиро, Н.К. Кочетов, А.Г. Мержанов, В.Л. Левтов, В.В. Романов. «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в космосе» - первый технологический эксперимент на российском сегменте МКС. YI международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос». 2005, 10-11 ноября, Звездный городок, с. 92-93.

8. С.Г. Вадченко, А.Г. Мержанов, А.С. Рогачев, В.Н. Санин, А.Е. Сычев, В.И. Юхвид, В.Л. Левтов, В.В. Романов, С.Ф. Савин, А.И. Иванов. Аппаратура для исследования процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на российском сегменте МКС. Авиакосмическое приборостроение, 2005, № 8, с. 42-45.

9. Вадченко С.Г., Мержанов А.Г., Рогачев А.С., Sanin V.N., Yuhvid V.I., Levtov V.L., Romanov V.V., Savin S.F., Ivanov A.I.. Аппаратура для исследования процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на российском сегменте МКС // Журнал "Авиакосмическое приборостроение" №8 2005, C.42-45.

Последнее обновление: 16.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения