Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок

 

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ДОЛГОСРОЧНОЙ ПРОГРАММЫ

НАУЧНО-ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ,

ПЛАНИРУЕМЫХ НА РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

 

Направление №2. Космическое материаловедение

Диффузионное пламя   ДСМИКС   Зарево   Кинетика-1   Кристаллизатор   ОАСИС   Перитектика   СВС   Химия-Образование   Электрическое пламя  

Показать все        

 

Космический эксперимент "Диффузионное пламя"

Ламинарное диффузионное пламя в спутном потоке

Научный руководитель Минаев С. С., Дальневосточный федеральный университет - Инженерная Школа , зав.лаб., д.ф.-м.н.,
Организация постановщик ФГУП ЦНИИмаш
Другие организации участники

 

Цель

Получение экспериментальных данных высокой точности для изучения ламинарного диффузионного пламени в спутном потоке горючего и окислителя.  

Описание

Порядок проведения КЭ. Эксперимент проводится на американском сегменте МКС в интегрированной стойке для экспериментов по горению (Combustion Integrated Rack). В состав оборудования входят:

-Камера со свободным объемом порядка 85л и диапазоном рабочих давлений от 1 до 3 атм с двумя ортогональными оптическими окнами с полем зрения 120мм обеспечивает пространство, необходимое для проведения эксперимента;

- Горелка с инжекцией топлива через трубку O 2.1 мм, расположенную в трубке большего диаметра O 25 мм в которой создан спутный поток воздуха для формирования ламинарного диффузионного пламени;

-Резистивная система воспламенения (50Вт/0.5с), позиционируемая шаговым двигателем, позволяет инициировать реакцию горения в определенной области пространства;

- Система подачи и утилизации газов, включающая три массовых расходомера, обеспечивает наполнение камеры сгорания инертным газом с окислителем (O2 и N2), топливом (СН4, С2Н4) с расходами 0-0.3 л/мин ±5% для топлива и 0-11.0л/мин ±5%, соответственно, а также утилизацию продуктов реакции;

-Измерительная аппаратура предназначена для визуально-инструментальной регистрации свойств, структуры и динамики диффузионного пламени и включает в себя: (1) систему контроля давления в камере (0.1-4бар ±1%); (2) термопары (0-700С±2С), которые расположены как вблизи горелки (4 шт.), так и на периферии (6 шт.) камеры сгорания; (3) акселерометр SAMS; (4) радиометры (0.2-11 мкм), один фиксированный широкоугольный и пять съемных; (5) камеры: аналоговая цветная со светодиодной подсветкой, цифровая цветная (12-бит, до 30 кадров/с, 1360х1024) с набором фильтров (сине-зеленый, 430- и 450 - нм для съемки излучения СН*), монохромная камера с усилителем яркости изображения (310 нм, до 30 кадров/с, 512х512) для съемки излучения ОН*; (6) три широкоугольных ФЭУ (230-700 нм, 310 нм и 430 нм); (7) система лазерной экстинкции на основе лазерных диодов с волоконным выходом и монохромной цифровой камеры (30 кадров/с, 1024х1024); (8) система пирометрии на основе перемещающейся сетки из 5 кремний-карбидных волокон, расположенных на расстоянии 5мм, и дополнительной сетки для калибровки; (9) газовый хроматограф для анализа состава свежей смеси и продуктов горения;

- блок управления, блок обработки и хранения данных.

Оборудование обеспечивает получение данных о форме пламени, высоте, на которой стабилизируется “подвешенное” пламя, его температуре, сажеобразовании и пределов существования в зависимости от скорости потока и разбавления смеси. Получение данных о диффузионном пламени, образующего сажу, путем измерения формы пламени, температуры газа в свободной от сажи зоне пламени, светимости сажи, температуры сажи и объёмной доли сажистых частиц в зависимости от скорости потока и разбавления смеси.

 

Аппаратура

НА предназначена для формирования ламинарного диффузионного пламени в спутном потоке воздуха, образуемого путем подачи топливной смеси через центральную трубку O 2.1 мм в окружении ламинарного потока воздуха, протекающего в трубе O 25 мм, и визуально-инструментальной регистрации его свойств, структуры и динамики.

НА реализована в виде интегрированной стойки для экспериментов по горению АС МКС. Разработка и создание НА не требуется. НА и контейнеры с газами изготовлены и находятся на борту АС МКС и удовлетворяют требованиям к месту установки и эксплуатации.

В состав НА входят:

- камера с двумя ортогональными оптическими окнами,

- горелка из двух коаксиальных трубок,

- система воспламенения,

- система подачи и утилизации газов,

- система создания и контроля высокого напряжения (до 10 кв) между горелкой и круглой сеткой помещенной над горелкой,

- измерительная аппаратура (камеры в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне, радиометр, датчики давления и ускорения, термопары, установка лазерной экстинкции и пирометрии, газовый хроматограф),

- блок управления,

- блок обработки и хранения данных.

Камера со свободным объемом порядка 85л и диапазоном рабочих давлений от 1 до 3 атм с двумя ортогональными оптическими окнами с полем зрения 120мм обеспечивает пространство, необходимое для проведения эксперимента.

Резистивная система воспламенения (50Вт/0.5с), позиционируемая шаговым двигателем, позволяет инициировать реакцию горения в определенной области пространства.

Система подачи и утилизации газов, включающая три массовых расходомера, обеспечивает наполнение камеры сгорания инертным газом с окислителем (O2 и N2), топливом (СН4, С2Н4) с расходами 0-0.3 л/мин ±5% для топлива и 0-11.0л/мин ±5%, соответственно, а также утилизацию продуктов реакции.

Измерительная аппаратура предназначена для визуально-инструментальной регистрации свойств, структуры и динамики диффузионного пламени и включает в себя систему контроля давления в камере (0.1-4бар ±1%);

-термопары (0-700С±2С), которые расположены как вблизи горелки (4 шт.), так и на периферии (6 шт.) камеры сгорания;

-акселерометр SAMS;

-радиометры (0.2-11 мкм), один фиксированный широкоугольный и пять съемных;

-камеры: аналоговая цветная со светодиодной подсветкой, цифровая цветная (12-бит, до 30 кадров/с, 1360х1024) с набором фильтров (сине-зеленый, 430- и 450 - нм для съемки излучения СН*), монохромная камера с усилителем яркости изображения (310 нм, до 30 кадров/с, 512х512) для съемки излучения ОН*; три широкоугольных ФЭУ (230-700 нм, 310 нм и 430 нм); система лазерной экстинкции на основе лазерных диодов с волоконным выходом и монохромной цифровой камеры (30 кадров/с, 1024х1024);

-система пирометрии на основе перемещающейся сетки из 5 кремний-карбидных волокон, расположенных на расстоянии 5мм и дополнительной сетки для калибровки; газовый хроматограф для анализа состава свежей смеси и продуктов горения.

 

Результаты

 

Публикации

1. A. Katoch, M. Asad, S. Minaev, S.Kumar, “Measurement of laminar burning velocities of methanol-air mixtures at elevated temperatures”, Fuel, (2016), 182, pp. 57-63.

2. T. Miroshnichenko, V. Gubernov, K. Maruta, S. Minaev, “Diffusive–thermal oscillations of rich premixed hydrogen–air flames in a microflow reactor”, Combustion Theory and Modelling, (2016), pp. 1-15.

3. B. Aravind, R.K. Velamati, A.P. Singh, Y. Yoon, S. Minaev, S. Kumar, “Investigations on flame dynamics of premixed H2-air mixtures in microscale tubes” , RSC Advances, Volume 6, Issue 55, (2016), pp. 50358-50367

4. R. Fursenko, S. Mokrin, S. Minaev, K. Maruta, “Diffusive-thermal instability of stretched low-Lewis-number flames of slot-jet counterflow burners”, Proceedings of the Combustion Institute, (2015).

5. V.V. Gubernov, S.S. Minaev, V.I. Babushok, A.V. Kolobov, “The effect of depletion of radicals on freely propagating hydrocarbon flames”, Journal of Mathematical Chemistry Volume 53, Issue 10, (2015), Pages 2137-2154.

6. Fursenko, R., Minaev, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Hasegawa, S., Kobayashi, T., Takase, K., Katsuta, M., Kikuchi, M., Maruta, K., “Near-lean limit combustion regimes of low-Lewis-number stretched premixed flames”, (2014), Combustion and Flame, 162 (5), pp. 1712-1718.

7. Sereshchenko, E., Fursenko, R., Minaev, S., Shy, S., “Numerical simulations of premixed flame ignition in turbulent flow”, (2014) Combustion Science and Technology, 186 (10- 11), pp. 1552-1561.

8. Fursenko, R., Minaev, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Hasegawa, S., Takase, K., Li, X., Katsuta, M., Kikuchi, M., Maruta, K., “Cellular and sporadic flame regimes of low- Lewis-number stretched premixed flames” (2013), Proceedings of the Combustion Institute, 34 (1), pp. 981-988.

9. Minaev, S., Fursenko, R., Sereshchenko, E., Fan, A., Kumar, S., “Oscillating and rotating flame patterns in radial microchannels”, (2013) Proceedings of the Combustion Institute, 34 (2), pp. 3427-3434.

10. Nakamura, H., Fan, A., Minaev, S., Sereshchenko, E., Fursenko, R., Tsuboi, Y., Maruta, K., ”Bifurcations and negative propagation speeds of methane/air premixed flames with repetitive extinction and ignition in a heated microchannel”, (2012) Combustion and Flame, 159 (4), pp. 1631-1643.

11. Fursenko, R., Minaev, S., “Flame balls dynamics in divergent channel”, (2011) Combustion Theory and Modelling, 15 (6), pp. 817-825.

12. Fan, A., Minaev, S., Sereshchenko, E., Fursenko, R., Kumar, S., Liu, W., Maruta, K., Experimental and numerical investigations of flame pattern formations in a radial microchannel//(2009) Proceedings of the Combustion Institute, 32 II, pp. 3059-3066.

13. Fan, A., Minaev, S., Kumar, S., Liu, W., Maruta, K., Regime diagrams and characteristics of flame patterns in radial microchannels with temperature gradients//(2008) Combustion and Flame, 153 (3), pp. 479-489.

14. Fursenko, R.V., Minaev, S.S., Chang, K.C., Chao, Y.C., Analytical and numerical modeling of a spherical diffusion microflame//(2008) Combustion, Explosion and Shock Waves, 44 (1), pp. 1-8.

15. Minaev, S., Maruta, K., Fursenko, R.,Nonlinear dynamics of flame in a narrow channel with a temperature gradient//(2007) Combustion Theory and Modelling, 11 (2), pp. 187-203.

16. Maruta, K., Kataoka, T., Kim II, N., Minaev, S., Fursenko, R.,Characteristics of combustion in a narrow channel with a temperature gradient//(2005) Proceedings of the Combustion Institute, 30 II, pp. 2429-2436.

17. Kagan, L., Minaev, S., Sivashinsky, G., On self-drifting flame balls//(2004) Mathematics and Computers in Simulation, 65 (4-5), pp. 511-520.

18. Minaev, S., Fursenko, R., Ju, Y., Law, C.K., Stability analysis of near-limit stretched premixed flames//(2003) Journal of Fluid Mechanics, (488), pp. 225-244.

19. Ju, Y., Minaev, S.,Dynamics and flammability limit of stretched premixed flames stabilized by a hot wall//(2002) Proceedings of the Combustion Institute, 29 (1), pp. 949-956.

20. Minaev, S., Kagan, L., Joulin, G., Sivashinsky, G.,On self-drifting flame balls//(2001) Combustion Theory and Modelling, 5 (4), pp. 609-622.

 

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "ДСМИКС"

Измерение коэффициентов переноса в многокомпонентных смесях

Научный руководитель Любимова Т.П., ИМСС УрО РАН, зав. лабораторией вычислительной гидродинамики, д.ф.-м.н., профессор
Организация постановщик Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук
Другие организации участники Институт вычислительного моделирования СО РАН; Институт биохимической физики РАН; Организациu – координаторы международного проекта Microgravity Research Center, Universite Libre de Bruxelles (ULB), Brussels, Belgium Ryerson University, Toronto, Canada Организации - зарубежные соисполнители: Paul Sabatier University, Toulouse, France Universite de Pau et des Pays de l’Adour, Pau, France Mondragon Universitatea, Arrasate-Mondragon, Spain Universitat Bayreuth, Bayreuth, Germany Research Center Juelich, Juelich, Germany Tohoku University, Sendai, Japan Institute of Space and Astronautical Science, Tsukuba, Ibaraki, Japan

 

Цель

Измерение коэффициентов диффузии и термодиффузии в тройных смесях в условиях невесомости.

Описание

Основной целью космического эксперимента является измерение коэффициентов диффузии и термодиффузии в тройных смесях в условиях невесомости.

Измерения коэффициентов будут проводиться методом цифровой оптической интерферометрии.

Экспериментальная установка состоит из блока, содержащего пять ячеек с различными смесями. Все ячейки заполняются жидкими смесями на Земле.

Каждый эксперимент выполняется в два этапа:

1. В ячейках с однородным распределением концентрации формируется градиент температуры. После этого начинается процесс термодиффузионного разделения смеси, который продолжается до достижения стационарного состояния.

2. После достижения стационарного состояния разность температур снимается, при этом на обеих медных пластинах устанавливается средняя температура эксперимента T0. Вследствие диффузионного перемешивания распределение концентраций компонент со временем становится однородным. Описанный подход дает уникальную возможность измерения коэффициентов диффузии и термодиффузии на первом этапе и дополнительной проверки этих результатов на втором этапе.

Аппаратура

В эксперименте "ДСМИКС" используется аппаратура SODI (Selectable Optical Diagnostics Instrument – Инструмент для Выборочной Оптической Диагностики), которая установлена в блоке MSG (Microgravity Science Glovebox – Герметичный контейнер с перчатками), размещенном в Европейском модуле Colambus (Коламбус) на МКС.

В состав модуля входят различные инструменты оптической диагностики: интерферометр Маха-Цандера, аппаратура для оптического измерения поля скоростей и инструмент для ближнеполевой оптической микроскопии.

Модуль состоит из следующих частей:

1. Экспериментальные ячейки с рабочими жидкостями.

2. Блок ячеек и контейнер блока ячеек, который обеспечивает заданный тепловой режим (подогрев и охлаждение стенок).

3. Стационарный и передвижной оптические модули с интерферометрами Маха-Цандера.

4. Линейный мотор для создания поступательных вибраций заданной частоты и амплитуды.

5. Блок управления модулем.

Результаты

Эксперимент ДСМИКС продолжает исследование процессов переноса в жидких смесях, начатые в космическом эксперименте IVIDIL, успешно проведенном на МКС в 2009-2010 гг. В этом эксперименте изучалось влияние осредненных течений, индуцируемых вибрациями, на процессы переноса в бинарных смесях. При подготовке эксперимента IVIDIL были проведены наземные эксперименты и численное моделирование влияния вибраций на диффузию и термодиффузию в бинарных смесях.

Публикации

1. Богатырев Г.П., Косвинцев С.Р., Костарев К.Г. Любимова Т.П., Мызникова Б.И., Путин Г.Ф., Семенов В.А., Сорокин М.П., Ястребов Г.В. Лабораторное и математическое моделирование свободной конвекции в микрогравитации. В книге «Гидромеханика и тепломассообмен при получении материалов». М.: Наука, 1990. C. 282–286.

2. Bezdenezhnykh N.A., Briskman V.A., Lapin A.Yu., Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Tcherepanov A.A., Zakharov I.N. The influence of high frequency tangential vibrations on the stability of fluids interface in microgravity. Fluid Dynamics in Microgravity, ed. by H.J. Rath. Springer-Verlag, p.137–144 (1992).

3. Gershuni G.Z. and Lyubimov D.V. Thermal Vibrational Convection. Wiley & Sons, 1998.

4. Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Croell A., Dold P., Benz K.W., Roux B. Vibration-induced convective flows. Microgravity Science and Technology, 11 (3) 101, (1998).

5. Dold P., Benz K.W., Croll A., Roux B., Lyubimov D., Lyubimova T., Scuridyn R. Vibration controlled convection – preparation and perspectives of the Maxus 4 experiment. Acta Astronautica, 48 (5-12), 639 (2001).

6. Lyubimov D.V., Cherepanov A.A., Lyubimova T.P., Roux B. Vibration influence on a two-phase system in weightlessness conditions. J. Physique IV, 11 (Pr 6), 83 (2001).

7. Lyubimova T., Shklyaeva E., Legros J.C., Shevtsova V., Roux B. Numerical study of high frequency vibration influence on measurement of Soret and diffusion coefficients in low gravity conditions. Advances in Space Research, 36 (1), 70 (2005).

8. Shevtsova V., Melnikov D., Legros J.C., Yan Y., Saghir Z., Lyubimova T., Sedelnikov G., and Roux B. Influence of vibrations on thermodiffusion in binary mixture: A benchmark of numerical solutions. Phys. Fluids, 19, 017111, 2007.

9. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. On thermal diffusion and convection in multicomponent mixtures with application to the thermogravitational column. Physics of Fluids, V. 19, Issue 2, 027101 (2007).

10. Mialdun A. and Shevtsova V. Development of optical digital interferometry technique for measurement of thermodiffusion coefficients. Int. J. Heat Mass Trans. 51, 3164, 2008.

11. Mialdun A., Ryzhkov I., Melnikov D., and Shevtsova V. Experimental evidence of thermal vibrational convection in a non-uniformly heated fluid in a reduced gravity environment. Phys. Rev. Lett., 101, 084501, 2008.

12. Melnikov D.E., Ryzhkov I.I., Mialdun A., Shevtsova V. Thermovibrational convection in microgravity: preparation of a parabolic flight experiment. Microgravity Science and Technology, V. 20, pp. 29–39 (2008).

13. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. Convective stability of multicomponent fluids in the thermogravitational column. Phys. Rev. E, 79 (2), 026308, 2009.

14. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. Long-wave instability of a multicomponent fluid layer with the Soret effect. Physics of Fluids, V. 21, Issue 1, 014102 (2009).

15. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. On the cross-diffusion and Soret effect in multicomponent mixtures. Microgravity Science and Technology, V. 21, Issue 1–2, pp. 37–40 (2009).

16. Shevtsova V., Ryzhkov I.I., Melnikov D., Gaponenko Y., and Mialdun A. Experimental and theoretical study of vibration-induced convection in low gravity. J. Fluid Mech., 648, p. 53–82 , 2010.

17. Shevtsova V., Mialdun A., Melnikov D., Ryzhkov I., Gaponenko Y., Saghir Z., Lyubimova T., Legros J.C. The IVIDIL experiment onboard the ISS: Thermal diffusion in the presence of controlled vibration. Comptes Rendus Mecanique, V. 339, Issue 5, p. 310–317 (2011).

18. Schimpf M.E., Semenov S.N. J. Phys. Chem. B 104, 9935 (2000).

19. Semenov S.N., Schimpf M.E. Phys. Rev. E 69, 011201 (2004).

20. Schimpf M.E., Semenov S.N. Phys. Rev. E, 70, 031202 (2004).

21. Semenov S.N., Schimpf M.E. Phys. Rev. E, 72 041202 (2005).

22. Semenov S.N., Schimpf M.E. Phase Demixing in Non-Isothermal Binary Liquids, Thermal Nonequilibrium, Lecture Notes of 8th International meeting on Thermodiffusion, ISBN 978-3-89336-523-4, pp. 63-70, 2008.

23. Semenov S.N., Schimpf M.E. On thermodynamic approach to mass transport. Thermal Nonequilibrium, in Lecture Notes of 8th International meeting on Thermodiffusion, ISBN 978-3-89336-523-4, pp. 109-116, 2008.

24. Semenov S.N., Schimpf M.E. Theory of Strong Temperature Dependence in Thermophoresis. Thermal Nonequilibrium, Lecture Notes of 8th International meeting on Thermodiffusion, ISBN 978-3-89336-523-4, pp. 117-124, 2008.

25. Семенов С.Н., Шимпф M.E. УФН, 52 (2009) 1045.

26. Semenov S.N. European Physics Letters, 90 (2010) 56002.

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "Зарево"

Изучение холоднопламенного горения капель углеводородов в условиях микрогравитации

Научный руководитель Фролов С.М., ИХФ РАН, зав. отделом, д.ф.-м.н.
Организация постановщик Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н. Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН)
Другие организации участники ФГБУН Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН); ФГУП ЦНИИмаш; ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королёва»;

 

Цель

Получение исходных данных для разработки модели горения углеводородных горючих в условиях микрогравитации в интересах создания систем пожарной безопасности в герметичных отсеках космических аппаратов

 

Описание

Эксперимент проводится на американском сегменте МКС в модуле Destiny (АС МКС) для проведения исследований в условиях микрогравитации на оборудовании «CIR» (см. рис.1) с использованием встраиваемого блока MDCA для исследования горения капель 3-х различных углеводородов.

Оборудование CIF с блоком MDCA обеспечивает изучение холоднопламенного горения капель разных углеводородов в окислительном газе разного состава при разных начальных давлениях.

 

Аппаратура

Состав оборудования:

- 12-битная видеокамера с красной диодно-лазерной подсветкой;

- видеокамера повышенной чувствительности для наблюдения за пламенем, позволяющая регистрировать холоднопламенное свечение очень низкой интенсивности (свечение возбужденного формальдегида);

- видеокамера для регистрации хемилюминесценции «горячего» пламени;

- цветная видеокамера с белой диодно-лазерной подсветкой с возможностью значительного увеличения изображения;

- два оптических радиометра: один для регистрации теплового излучения горящей капли в диапазоне от видимого (~ 0.40 мкм) до ИК (~ 100 мкм) света; другой для регистрации излучения водяного пара в широком ИК-диапазоне (~ 5-7 мкм);

- датчики температуры и давления в камере;

- газоанализатор;

- устройство для создания капель,

- устройство для зажигания капель;

- блок электропитания,

- блок управления.

 

Результаты

 

Публикации

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фролов С.М., Басевич В.Я. Горение капель. В книге «Законы горения». Ред. Полежаев Ю.В. Москва. УНПЦ, Энергомаш, 2006. С. 130-159.

2. Басевич В. Я., Фролов С. М. Кинетика «голубых» пламен при газофазном окислении и горении углеводородов и их производных. Успехи химии, 2007. Т. 6, №9, С. 927-944.

3. Басевич В. Я., Беляев А. А., Медведев С. М., Посвянский В. С., Фролов С.М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов С8Н18, С9Н20 и С10Н22. Химическая физика, 2011. Т.30, №12, С. 9-25.

4. Басевич В. Я., Беляев А. А., Медведев С. Н., Посвянский В. С., Фролов С. М. Детальный кинетический механизм многостадийного окисления и горения изобутана. Химическая физика, 2015, том 34, № 4, с. 47–54.

5. Басевич В.Я., Беляев А. А., Медведев С.Н., Посвянский В.С., Фролов C.М. Детальный кинетический механизм окисления и горения изопентана и изогексана. Горение и взрыв, 2015, Т. 8, № 1, с. 12-20.

6. Басевич В. Я., Беляев А. А., Посвянский В. С., Фролов С. М. Кинетическая природа “голубых” пламен при самовоспламенении метана. Химическая физика, 2014, том 33, № 5, с. 40–46.

7. Басевич В. Я., Беляев А. А., Посвянский В. С., Фролов С. М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1–С10 к С11–С16. Химическая физика, 2013, том 32, № 4, с. 1–10.

8. Фролов С. М., Медведев С. Н., Басевич В. Я., Фролов Ф. С. Самовоспламенение и горение тройных гомогенных и гетерогенных смесей углеводород–водород–воздух. Химическая физика, 2013, том 32, № 8, с. 43–48.

9. Басевич В.Я., Беляев А.А., Гоц А.Н., Посвянский В.С., Фролов С.М., Фролов Ф.С. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов С11Н24 – С16Н34. Горение и взрыв, 2012, Т. 5, с. 46-52.

10. Басевич В.Я., Беляев А.А., Медведев С.Н., Посвянский В.С., Фролов С.М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов C8H18, C9H20 и C10H22. Горение и взрыв, 2011, Т. 4, с. 3 – 9.

11. Басевич В.Я., Беляев А.А., Медведев С.Н., Посвянский В.С., Фролов С.М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1-С7 К С8Н18, С9Н20 И С10Н22. Химическая физика, 2011, Т. 30, N 12, с. 9 – 25.

12. Беляев А.А., Басевич В.Я., Фролов Ф.С., Фролов С.М., Б. Басара, М. Суффа. База данных для характеристик ламинарного горения н-гептана. Горение и взрыв, 2010, Т. 3, с. 30 – 37.

13. Басевич В.Я., Беляев А.А., Посвянский В.С., Фролов С.М. Расчет самовоспламенения и горения капель н-гептана. Горение и взрыв, 2010, Т. 3, с. 105 – 109.

14. Басевич В.Я., Беляев А.А., Фролов С.М. Механизмы окисления и горения нормальных алкановых углеводородов: переход от С1-С5 к С6Н14. Химическая физика, 2010, т. 29, № 7, с. 71-78.

15. Басевич В. Я., Беляев А. А., Посвянский В. С., Фролов С. М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1–С6 к С7Н16. Химическая физика, 2010, том 29, № 12, с. 40–49.

16. Басевич В. Я., Беляев А. А., Медведев С. Н., Посвянский В. С., Фролов Ф. С., Фролов С. М. Моделирование самовоспламенения и горения капель н-гептана с использованием детального кинетического механизма. Химическая физика, 2010, том 29, № 12, с. 50–59.

 

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "Кинетика-1"

«Измерение и моделирование термических режимов и процесса формирования микроструктуры при фазовых переходах в переохлажденных расплавах на основе циркония»

Научный руководитель Харанжевский Е. В., Удмуртский государственный университет, физико-энергетический факультет, зав. лаб. экспер. физики, к.т.н, доцент
Организация постановщик "Удмуртский государственный университет" (УдГУ)
Другие организации участники Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, Филиал ФГУП ЦЭНКИ – НИИСК; Institute of Materials Physics in Space, Cologne, Germany; Ruhr-University Bochum, Bochum Germany

 

Цель

Общая цель проекта заключается в оценке влияния конвекции при высокоскоростных фазовых переходах в условиях бестигельной кристаллизации металлических сплавов систем Cu-Zr при сравнительных измерениях в наземных условиях (1 g) и в космосе (микрогравитация). Эти результаты используются для теоретического моделирования процессов кристаллизации, рассматривая процессы конвективного тепло- и массопереноса. ".

Описание

Эксперименты по кристаллизации металлических образцов методом ЭМЛ состоят из этапов:

1.Подготовка образцов в наземных условиях и доставка их на МКС Подготовка образцов из высокочистых компонентов Zr, Cu и др. для экспериментов в электромагнитном левитаторе. Наземная аттестация образцов по химическому составу.

2. Откачка газовой среды до состояния высокого вакуума и/или напуск инертного газа.

Любое незначительное содержание кислорода приводит к значительному изменению механизма фазового превращения. Образование оксидов металлов на поверхности образца немедленно приводит к инициированию гетерогенного зародышеобразования и последующей кристаллизации всего образца. Поскольку целью экспериментов является изучение глубоко переохлажденных расплавов, инертный газ должен иметь высокую степень очистки.

3. Позиционирование образца в индукторе

С помощью встроенного манипулятора производиться позиционирование образца в системе индукторов. В условиях микрогравитации позиционирование должно осуществляться быстрее, чем это происходит в наземных экспериментах.

4. Термические циклы расплавления-кристаллизации

Под действием индуктора нагревателя происходит нагрев образца свыше температуры плавления. Далее осуществляется выдержка для достижения заданного уровня конвекции, определяемого характеристиками переменного электромагнитного поля. Последующее быстрое охлаждение осуществляется потоком газа или за счет радиации, что позволяет достичь скоростей охлаждения в печи ЭМЛ до 10 К/с. При проведении эксперимента в печи ЭМЛ образцы выдерживаются некоторое время при заданном значении переохлаждения, после чего инициируется затвердевание образца путем введения индентора, выполняющего роль зародыша. В дальнейшем за короткий промежуток времени фронт кристаллизации двигается от индентора и осуществляется затвердевание всего объема образца. Таким образом в печи ЭМЛ реализуется гетерогенный режим затвердевания. Переохлажденные образцы затвердевают при некотором переохлаждении, распределение которого зависит от системы, скорости охлаждения, склонности к окислению и другими параметрами. Регистрирующие приборы фиксируют температуру на различных точках поверхности с помощью высокоскоростной видеосъемки.

5. Передача данных регистрирующей аппаратуры в наземный центр управления экспериментом.

Передача большого объема видеоинформации с ЭМЛ.".

 

Аппаратура

КЭ проводится с использованием НА, расположенной на модуле МКС Коламбус.

В настоящее время MSL укомплектована двумя печами, непригодными для проведения данного проекта. В 2013 г. будет закончено дополнительное комплектование лабораторий новой НА – печью ЭМЛ для изучения бестигельной кристаллизации металлических образцов в условиях микрогравитации. Печь MSL-ЭМЛ с устройством позиционирования и нагрева образцов переменным электромагнитным полем высокой частоты позволяет проводить КЭ по бесконтейнерной кристаллизации металлических расплавов в условиях достижения значительных переохлаждений. Изготовление MSL-ЭМЛ производится компанией EADS/Astrium по независимому от данного проекта контракту с ESA. Блоки и агрегаты, входящие в состав НА, и их назначение: Печь MSL-ЭМЛ состоит из набора блоков, размещенных внутри комбинированного модуля, включающего несколько видов оборудования и имеющего унифицированную систему подключения НА. Печь состоит из:

• экспериментального модуля, состоящего из камеры, в которой создаются условия сверхвысокого вакуума или инертной газовой среды, держателя образца, системы левитации из двух электромагнитных индукторов (катушек), датчиков положения образца и контроля текущих параметров эксперимента;

• блока электронного управления КЭ и интерфейса с системами передачи телеметрических данных;

• высокоскоростной видеокамеры с системой сжатия и хранения изображений; • блоков питания и водяного охлаждения;

• блока обеспечения газа в экспериментальной камере;

• кассетного контейнера для хранения образцов;

• блока загрузки образцов в контейнер.

Предназначенная для проведения КЭ экспериментальная научная аппаратура ЭМЛ состоит из следующих агрегатов: операционной камеры; камеры с образцом; системы двух индукторов в виде спиралей особой геометрии для позиционирования и нагрева образца; системы обратной связи; аксиальных (фронтальных) видеокамеры и пирометра; цифровой видеосистемы; радиальной (боковой) видеокамеры; фронтальных и боковых защитных экранов; подсветки; турбомолекулярного вакуумного насоса; системы рециркуляции газа с пылевым фильтром; системы продувки камеры. Система высокоскоростной видеосъемки ЭМЛ функционирует в двух режимах: с высоким сжатием видеоданных и передачей данных по каналу связи в режиме реального времени; с низким сжатием видеоизображения, записью на устройства хранения данных и передачей данных по каналу связи после завершения КЭ. Блок загрузки образцов ЭМЛ сконструирован для одновременной загрузки 18 образцов диаметром до 10 мм из внешнего контейнера через герметичный бокс, наполненной аргоном с содержанием кислорода менее 5 частиц на миллион (<10-4 %), для исключения контакта образцов с окружающей средой. Внешний контейнер ЭМЛ для доставки на МКС 18 образцов имеет габаритные размеры 411х408х240 мм и массу 18,5 кг.".

 

Результаты

 

Публикации

 

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "Кристаллизатор"

Кристаллизация биологических макромолекул и получение биокристаллических пленок в условиях микрогравитации

Научный руководитель Волошин А.Э., Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова, к.ф.-м.н.
Организация постановщик Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова
Другие организации участники Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Институт биоорганической химии им.М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН, Институт физико-химической биологии им.А.Н. Белозерского МГУ.

 

Цель

Исследование процессов кристаллизации белков и получение совершенных по структуре монокристаллов белков, пригодных для рентгеноструктурного анализа, и биокристаллических пленок. Разработка аппаратуры нового поколения и методик для кристаллизации большого количества (по наименованию) белков в интересах фундаментальной и прикладной биологии, медицины, фармакологии и микроэлектроники.

Описание

Хотя известны химические формулы большого количества биологических макромолекул, изучение их пространственной структуры является трудной задачей. Изучение трехмерных структур белков, ДНК, РНК позволяет получить информацию о механизмах их функционирования. Эти знания являются фундаментальными для новой области рационального проектирования лекарств, заменяя метод проб и ошибок.

На основе рентгеноструктурного анализа белковых монокристаллов можно создавать искусственные аналоги природных биообъектов или их активные фрагменты, которые далее можно использовать для производства лекарств, функционально значимых белков, биосенсоров, биочипов. Для определения точной структуры молекулы белка требуется разрешение порядка 1 A, так как только при таком разрешении можно различить водородные связи в молекуле белка и определить точную пространственную структуру молекулы. Точность определения изучаемой структуры лежит в прямой зависимости от совершенства используемых монокристаллов. Поэтому выращивание белковых высококачественных кристаллов требует улучшения известных и поиска новых методов кристаллизации белков. Среди методов, позволяющих улучшить качество белковых кристаллов, кристаллизация белков в условиях невесомости занимает особое место. На борту космического аппарата в условиях орбитального полета возникает уникальная окружающая среда для выращивания кристаллов – среда, свободная от воздействия гравитационных сил, которые могут нарушать тонкую структуру биокристаллов. Проведение экспериментов в невесомости, когда транспорт вещества к растущему кристаллу осуществляется посредством диффузии, дает возможность развить представления о механизмах роста кристаллов белков, что важно и для улучшения наземных технологий.

КЭ «Кристаллизатор» реализуется в два этапа. На первом этапе исследования проводились с использованием российского оборудования, в состав которого входило устройство для кристаллизации белков методом свободной диффузии («Модуль-1»), а также кристаллизационное устройство «Модуль-2», позволяющее получать биокристаллические пленки из объемного раствора на подложках с использованием эффекта искусственной (графо) эпитаксии. Первый этап исследований завершился в 2009 г. На втором этапе для роста кристаллов используется японский кристаллизатор «JAXA-PCG», где применяется метод встречной диффузии в капиллярах. 27 мая закончился пятый сеанс КЭ. На землю возвращены кристаллы белков, которые сейчас исследуются с помощью японского источника синхротронного излучения SPring-8.

В КЭ решаются следующие задачи: ­

• отработка методик получения монокристаллов биологических макромолекул методом свободной диффузии и ориентирования кристаллитов, образующих пленку в условиях микрогравитации; ­

• отработка аппаратуры, отработка режимов и условий выращивания монокристаллов белков и биологических пленок; ­

• экспериментальная оценка эффективности и надежности используемой аппаратуры; ­

• отработка циклограммы КЭ для организации серийного выращивания биокристаллов и пленок в условиях микрогравитации; ­

• отработка методики и выращивание кристаллов биологических макромолекул методом встречной диффузии с использованием комплекта японской НА "JAXA PCG"; ­

• сравнение методов выращивания кристаллов биологических макромолекул методом встречной диффузии с использованием комплекта НА "JAXA PCG" и методом свободной диффузии в кристаллизаторе "Модуль-1".

Аппаратура

Для проведения эксперимента на первом этапе в период с 2005 по 2009 год использовался комплекс научной аппаратуры "Кристаллизатор", разработанный в ИК РАН, в состав которого входили кристаллизатор "Модуль-1" и кристаллизационное устройство "Модуль-3".

"Модуль - 1" (рис.1) - устройство с механическими затворами для выращивания монокристаллов белков методом свободной диффузии. Процесс кристаллизации начинается после открытия оператором механического затвора, разделяющего растворы белка и осадителя. Оборудование использовалось во время экспедиций МКС-11 - МКС-14, МКС-16 – МКС-19 ,МКС - 21/22.

Рисунок 1 – Контейнер с кристаллизатором "Модуль-1" Рисунок 2 – Кристаллизационное устройство "Модуль – 3"

Основные характеристики НА “Модуль-1”:

- габариты: диаметр не более 70 мм, высота не более 85 мм;

- масса – не более 0,450 кг;

- количество ячеек в обойме – 8 шт.;

- объем ячейки в зависимости от модификации от 10 до 70 мкл;

- диаметр капиллярной части ячеек от 2 до 4 мм;

- длина капиллярной части ячейки не более 30 мм.

- энергопотребление не требуется.

Конструкция прибора обеспечивает сохранность белков от момента заправки до начала процесса кристаллизации, проведение кристаллизации белков в течение 10-30 суток и последующую сохранность белков до возвращения прибора на Землю и передачи его представителю ИК РАН. Суммарное время сохранности белков 90 суток.

"Модуль-3" (рис. 2) предназначен для выращивания двумерных ориентированных пленок на подложках с нанесённым микрорельефом методом искусственной эпитаксии. Процесс начинается после открытия оператором механического затвора, разделяющего камеру кристаллизационных ячеек и камеру осадителя. Устройство использовалось во время экспедиции МКС-11 и МКС-12.

Основные характеристики НА “Модуль-3”:

- габариты модуля: диаметр не более 100 мм, высота – не более 85 мм;

- масса модуля – не более 0, 450 кг;

- количество ячеек в модуле – 12;

- размеры подложки в ячейке 5х5х0,5 мм.

- энергопотребление не требуется.

После доставки на борт РС МКС аппаратура размещалась в заданном месте. В зоне с температурой воздуха в диапазоне от 18 до 28°С. В первые сутки после стыковки экипажем выполнялась активация процесса кристаллизации, а перед возвратом аппаратуры на Землю – деактивация процесса. Во время проведения КЭ на Землю сообщались данные о температуре воздуха в зоне размещения кристаллизаторов. Всего проведено 7 сеансов эксперимента.

В настоящее время КНА «Кристаллизатор» в КЭ не используется.

С 2009 г. исследования продолжаются с использованием японского оборудования для кристаллизации белков PCRF (рис. 3), размещаемом на японском исследовательском модуле JEM («Кибо»).

Кристаллизационные ячейки. Блок кристаллизационных ячеек JCB. 4 блока JCB, упакованные в пластиковый пакет. Держатель для 4 блоков JCB (48 ячеек) с регистратором температуры.
Канистра (вмещает 3 держателя). Размещение контейнеров аппаратуры JAXA-PCG внутри блока PCRF для исследования процессов кристаллизации белков. Внешний вид блока PCRF стойки RYUTAI японского лабораторного модуля «Кибо».
Рисунок 3 – Конструктивные и функциональные элементы НА «JAXA-PCG.

PCRF состоит из канистры, внутри которой размещаются специальном образом упакованные кристаллизационные ячейки двух типов Granada (GCBs) и JAXA JCBs, и регистратора температуры. В общем случае элементарная кристаллизационная ячейка представляет собой пластиковый капилляр (рис. 4), содержащий белковый раствор, к одному из концов которого присоединяется трубка (втулка) с буферным раствором агарозы, которая в свою очередь присоединяется к цилиндрическому резервуару с раствором осадителя. Оба конца образуемой кристаллизационной ячейки и места соединения с втулкой запечатываются силиконовой смазкой и материалом аральдитом. В одной канистре может быть загружено 144 таких кристаллизационных ячейки.

Рисунок 4 – Схема формирования кристаллизационной ячейки.

Момент, когда фактически начинается эксперимент по кристаллизации, определяется толщиной загустевшего буферного раствора, через который должно диффундировать осаждающее вещество, до того как оно достигнет раствора протеина. То, что буферный раствор находится в густом состоянии делает эту выдержку времени нечувствительной к перемещениям, ускорениям или вибрациям на участке выведения. Этот интервал времени может длиться до 7 дней. Для активации аппаратуры не требуется никаких движущихся деталей и никаких электроприводных систем.

Диаметр капилляра – 1 мм. Объем белкового раствора 10 µl, объем осадителя – 180 µl.

Масса укладки с канистрой с теплоизоляционным вкладышем – не более 2,8 кг.

Габариты укладки при выведении - 290 x 227 x 186 мм для одного летного комплекта.

PCRF является активным устройством, представляющим собой инкубатор, который потребляет электрическую энергию, охлаждается холодной водой и требует коммуникационных интерфейсов.

Результаты

«Модуль-1»

В период с 2005 по 2009 г. проведено восемь сеансов КЭ. Было отправлено в космос 112 ячеек с белковыми растворами (+пленки), исследовано более 20 белков и их комплексов, в том числе лизоцим, каталаза PVC, карбоксипептидаза, уридинфосфорилаза, агглютинин, инсулин человека, белки теплового шока из туберкулезной бактерии HSP-65, HSP-70, рекомбинантный гормон роста соматотропин, альфа-фетопротеин и др. Во всех сеансах размеры выращенных кристаллов были соразмерны или превосходили полученные на Земле. ~80% экспериментов признаны удачными. Дифракционное разрешение полученных кристаллов - от 3.0 до 1.5 A.

Благодаря отработанным и откорректированным условиям кристаллизации размеры кристаллов карбоксипептидазы были увеличены от 0,1 до 0,7 мм (рис.5). Была получена новая кристаллическая модификация этого белка, которая отсутствовала в наземных условиях.

Рисунок 5 – Кристаллы карбоксипептидазы-В, полученные в КЭ в период экспедиции МКС-14 (слева) и МКС 12 (справа). Снимки сделаны при одинаковом увеличении.

Также были усовершенствованы условия кристаллизации сиалированного инсулина и азидного комплекса формиатдегидрогеназы (рис.6), а также туберкулёзной пирофосфатазы из Micobacterium tuberculosis и пирофосфатазы холеры из Vibrio cholera.В результате чего были получены кристаллы белков, по размеру превосходящие выращенные в наземных условиях и пригодные для дальнейших рентгеноструктурных исследований.

Рисунок 6 – Кристаллы формиатдегидрогеназы с азидом натрия (МКС-17).

Кристаллы формиатдегидрогеназы с азидом натрия в форме призмы имели средний размер 0,7х0,3х0,3 мм, максимальный размер 1,0х0,7х0,7 мм. Кубические кристаллы имели в среднем длину ребра 0,3 мм, максимальная длина – 0,5 мм.

Расшифрована атомная структура белка туберкулёзной пирофосфатазы из Micobacterium tuberculosis. Установлено, что кристалл принадлежит к пространственной группе P6322, определено расположение молекулы цитрата, связанного в активном центре пирофосфатазы M.tuberculosis. Биологической активной единицей является гексамер (рис.7).

По данным рентгеноструктурного анализа кристаллов пирофосфатазы V.cholerae было установлено, что мозаичность кристаллов составляла 0,4-0,6 градуса. По сравнению с кристаллами, выращенными на Земле, кристаллы пирофосфатазы V.cholerae, выращенные в условиях микрогравитации были лучшего качества, образовывали меньше сростков и двойников. Толщина тригональных пластин была больше по сравнению с кристаллами, выращенными на Земле.

Рисунок 7 - Гексамер – биологически активная единица пирофосфатазы M.tuberculosis.

С использованием космических кристаллов получены высококачественные дифракционные наборы, и впервые расшифрованы пространственные структуры формиатдегидрогеназы Arabidopsis thaliana с высоким разрешением до 1,3 A.

Получены кристаллы фосфопантетеин аденилилтрансферазы Mycobacterium tuberculosis (трансфераза, РРАТ) в комплексе с коферментом А. Установлена структура с разрешением 2,1 A с использованием наземных кристаллов. С кристаллов этого комплекса, и комплекса РРАТ с дифосфокоферментом-А, выращенных в невесомости, собраны дифракционные набора при разрешении 1,55 A. Такое высокое разрешение достигнуто впервые.

Впервые в наземных и космических условиях выращены кристаллы мутантной формы карбоксипептидазы-Т с шестью заменами в активном центре. Собраны дифракционные наборы с наземных кристаллов с разрешением до 2,1 A , и с космических – с разрешением до 1, 6 A.

По результатам исследований в Международный банк белковых структур (PDB) в 2009 году были депонированы атомные координаты пяти белковых молекул:

- 3E7Y - космический цинк-инсулин (1,6 A );

- 3E7Z земной цинк-инсулин (2,0 A );

- 3I3Z космический кубический инсулин (1,55 A), выращенный из комплекса с полисиаловой кислотой в невесомости;

- 3I40 земной кубический инсулин (1,85 A), выращенный из комплекса с сиаловой кислотой на Земле;

- 3JTM формиатдегидрогеназа Arabidopsis thaliana.

«Модуль-3»

В качестве модельного материала для выращивания биопленок в условиях микрогравитации в период экспедиций МКС-11 и МКС-12 на Российском сегменте МКС использовали каталазу PVC.

На подложки окисленного кремния с помощью микродозатора были нанесены капли белкового раствора объемом 14 мкл : 7 мкл раствора PVC (концентрация 42,7 мг/мл в 0,1 М натрий-ацетатном буфере pH 5,2) и 7 мкл 1,3 М (NH4)2SO4 в 0,1 М натрий-ацетатном буфере с pH 5,2. Белковый раствор прижимали к подложке перфорированной тефлоновой пластинкой, на которой закрепляли полимерную мембрану с микропорами. Таким образом, был обеспечен обмен между осадителем и раствором белка посредством паровой диффузии и сведена к минимуму вероятность смещения белкового раствора с подложки при сильных ускорениях на стадии запуска научной аппаратуры на орбиту и возвращения на Землю.

В камеру осадителя была помещена микрогубка, пропитанная раствором сернокислого аммония (8,5 мл 1,3 М (NH4)2SO4 в натрий-ацетатном буфере с pH 5,2).

Кристаллизационное устройство Модуль-3 в условиях космического эксперимента функционировало нормально - оставалось герметичным, предложенные в данном проекте идеи использования пористого "Фармасорб" в камере осадителя и перфорированной мембраны для прижима белкового раствора в кристаллизационной ячейки себя оправдали.

Оптические исследования кристаллов PVC, выращенных в условиях микрогравитации, показали, что кристаллы прозрачные, без трещин, хорошо огранены, имеют в большинстве своем одинаковые размеры ~ 50 мкм и пригодны для структурных исследований. Все (рис. 8) или почти все кристаллы белка каталазы ориентированы вдоль полос микрорельефа. При срастании одинаково ориентированных кристаллитов образовалась квазимонокристаллическая пленка площадью до 0,5 мм2.

Рисунок 8.

На рис. 9 представлены биокристаллы каталазы, выращенные на подложке окисленного кремния ориентации (110) с прерывистым полосчатым микрорельефом. Хорошо видно, что ориентированные рост пленок обеспечивался присоединением миникристаллических блоков (кристаллитов) к торцам макроступеней, созданных на поверхности неорганической подложки искусственным путем (фотолитографией).

Рисунок 9.

Таким образом, в результате космических экспериментов по кристаллизации биологических объектов в условиях микрогравитации удалось получить ряд кристаллов белков, которые значительно превышают по размеру и качеству их наземные аналоги, а также с высокой точностью удалось определить атомно-молекулярную структуру целого ряда белков и найти их активные центры.

«JAXA-PCG»

С 2009 г. проведено 5 сеансов КЭ «Кристаллизатор» (МКС -20/МКС-21, МКС 22/МКС-23, МКС-24/МКС-25 МКС-28, МКС 30/МКС-31) с использованием японского кристаллизатора.

За это время в космос было отправлено 89 белковых комплекса. Из них удалось закристаллизовать 53 и для 23 белков и их комплексов установлены пространственные структуры с очень высоким разрешением 0,95…3 A. Для остальных комплексов работы по расшифровке структуры продолжаются. В Международный банк белковых данных (PDB) положены координаты 6-ти атомных моделей (РDB ID: 3RFF, 3RHS, 3RBA, 3QNV, 3PRT, 3UC5). ­

- 3RFF – фософопантетеинаденилтрансфераза из туберкулезной палочки в свободном виде (PPAT Mt), 1,76 A; ­

- 3RHS - PPAT Mt с природным ингибитором коэнзимом А (CoA), 1,59 A; ­

- 3RBA - комплекс PPAT Mt с продуктом катализируемой РРАТ реакции дефосфокоэнзимом А (dpCoA), 1,59 A; ­

- 3UC5 – комплекс с ATP, одним из субстратов реакции, 1,7 A; ­

- 3QNV – карбоксипептидаза wt (протеаза широкой специфичности), 1.69 A; ­

- 3PRT – мутант карбоксипептидазы по связывающему центру (КПТ5), 1.66 A.

Для белка алкогольдегидрогеназы 1998 из термофильной археи Thermococcus sibiricu, кристаллы удалось вырастить только в космосе и структура получены впервые. Для белка цитохром с нитритредуктазы из гипертермофильной бактерии Thioalkalivibrio paradoxus (рис. 10, 11) впервые удалось получить кристаллы без двойникования, что положительным образом сказалось на качестве полученной структуры. При снятии наборов интерес представлял эксперимент, при котором съемка проводилась за короткий промежуток времени (общее время экспозиции не превышало 3 мин). При съемке в таком режиме предполагалось получить структуру окисленной формы фермента, т.к известно, что рентгеновское излучение восстанавливает атомы металлов в ферментах.

Рисунок 10 - Капилляры с кристаллами цитохром с нитритредуктазы из бактерии T.nitratireducens после прилета. Рисунок 11 - Связывание сульфит-иона в активном центре цитохром с нитритредуктазы из бактерии T.nitratireducens. Оmit-синтез карты электронной плотности (2Fo-Fc), уровень срезки – 1?. Указаны водородные связи. Ион железа гема и ион кобальта показаны коричневым, ион кальция и протопорфирин гема 4 - серым.

Рисунок 12 - Кристаллы уридинфосфорилазы из бактерии S.oneidensis после прилета. Рисунок 13 - Пространственная структура уридинфосфорилазы из бактерии S.oneidensis при разрешении 0,95 A.

Рисунок 14 – Электронная плотность в активном центре уридинфосфорилазы при разрешении 0,95 A.

Для уридинфосфорилазы из Shewanella oneidensis получены данные с ультравысоким разрешением – 0,95 A (рис. 12, 13). Ранее, в земных экспериментах были получены кристаллы, дифрагирующие не выше 1.7А. Полученные в космическом эксперименте данные позволяют получить новые знания в части организации тонкой структуры активного центра фермента, т.к делают возможным определение положений отдельных атомов водорода (рис. 14), что невозможно при разрешении выше 1А. Это перспективный фермент для создания биокатализаторов биотехнологического синтеза нуклеозидов - потенциальных противовирусных и противораковых лекарств.

Для белка альдегиддегидрогеназы из термофильной археи A.sacharovorans ранее (в наземных экспериментах) были получены наборы с разрешением 2,4 A. Данный фермент участвовал в четвертом сеансе эксперимента (JAXA#4). С выращенных в ходе выполнении JAXA#4 кристаллов были сняты наборы до разрешения 1,8 A, что является значительным улучшением по сравнению с наземными данными.

Большой цикл исследований проведен для таких ферментов и их комплексов с ключевыми лигандами, как фосфопантетеин аденилтрансферазы Mycobacterium tuberculosis (PPAT Mt), карбоксипептидазы Т, тимидинфосфорилазы (рис. 15-20).

Рисунок 15 - Кристалл комплекса РРАТ MT/ДФСоА, выращенный в капилляре (JAXA#1). Рисунок 16 - Фрагмент электронной плотности PPAT Mt/ДФСоА, разрешение 1.5A (JAXA#1).

Рис. 17 - Гексамерная молекула PPAT Mt. Рис. 18 - Тример PPAT Mt с CoА в активном центре.

Рис.19 - Мономер PPAT Mt с CoА в активном центре. Рис. 20 - Мономер PPAT Mt с dpCoА в активном центре.

Исследования с этими белковыми комплексами были продолжены и во время сеанса JAXA#4, проводившегося в период 28 экспедиции на МКС с 21 июня по 16 сентября 2011 года.

В эксперименте JAXA#4 изучались белки: PPAT Mt; PPAT Mt в комплексе с 4' фосфопантетеином и в комплексе с 4'-фосфопантетеином и ATP; карбоксипептидаза Т из Termoactinomyces vulgaris WT в свободном виде и в комплексах с ингибиторами BOC-L-лейцином и -Z-L-лизином; мутантная форма карбоксипептидазы СРТ L254N в свободном виде и в комплексе с BOC-L-лейцином и -Z- L-лизином; тимидинфосфорилаза в комплексах с ингибиторами 3’-амино-2’-F-дидезокситимидин и 3’-амино-2’-дидезокситимидин, фруктозо-1,6-бисфосфат альдолаза I E.coli; фруктозо-1,6-бисфосфат альдолаза I в комплексе с неорганической пирофосфотаза E.coli; антитела на фуллерен С60; алкогольдегидрогеназа из T.sibiricus в комплексе с 1.6-гександиолом; никотинамидаза из A.sacharovorans; лакказа из B.aclada; альдегиддегидрогеназа из Pyrobacullum sp.; ДНК-лигаза из F.fontis в комплексе с АТФ и олигонуклеотидами; бета-гликозидаза из A.sacharovorans. В результате проведения рентгеноструктурного анализа с использованием источника синхротронного излучения Spring-8 (Япоия) было получено 37 наборов дифракционных данных с разрешением 1,29 – 2,9 A, пригодных для проведения дальнейшего структурного анализа. Практически для всех исследованных комплексов наборы данных были получены впервые, для ряда белков кристаллы, выращенные в космосе, обладали существенно лучшими характеристиками (например, для белка карбоксипептидазы B), а некоторые комплексы кристаллов (например, PPAT Mt c АТФ) удалось вырастить только в космосе.

Ниже приведены фотографии кристаллов белков, полученных в ходе выполнения 4 сеанса КЭ JAXA-PCG.

Рис. 21 - Капилляр с кристаллами лакказы из B.aclada. Рис. 22 - Капилляр с кристаллами альдегиддегидрогеназы из Pyrobacullum sp.

Рис. 23 - Капилляр с кристаллами бета-гликозидазы из A.sacharovorans. Рис. 24 - Капилляр с кристаллами алкогольдегидрогеназы из T.sibiricus в комплексе с гександиолом.

Рис. 25 - Капилляр с кристаллами комплекса TP с ингибитором 2. Рис. 26 - Капилляр с кристаллами фруктозо-1,6-бисфосфат альдолазы I в комплексе с неорганической пирофосфатазой E.coli.

Публикации

1. ПАТЕНТ № 2307204 (от 27.09.2007 г.) на изобретение: «Устройство для кристаллизации». Авторы: Ковальчук М.В., Любутин И.С., Гиваргизов Е.И., Задорожная Л.А., Дымшиц Ю.М., Шилин Ю.Н., ЧервяковА.О.

2. А.Н. Байдусь, А.И. Гребенко, Н.Е. Жухлистова, Ю.А. Кислицын, И.П. Куранова, А.В.Ляшенко., Т.И.Муравьева, В.Р. Самыгина, Е.А. Смирнова, Н.И Сосфенов, В.Н. Степаненко, Л.А.Чупова "Эксперименты по кристаллизации белков на Российском сегменте Международной Космической Станции". Журнал Космонавтика и ракетостроение, 2007, №4 (49) стр. 13-17.

3. Е.И.Гиваргизов, А.И. Гребенко, Л.А.Задорожная, В.Р. Мелик-Адомян. "Выращивание биокристаллических пленок PVC каталазы в космосе посредством искусственной эпитаксии" (на англ. яз.) Journal of Crystal Growth vol. 310, #4 (2008) pp. 847-852.

4. Е.В. Родина, В.Р. Самыгина, Н.Н. Воробьева, Т.С. Ситник, С.А. Курилова и Т.И. Назарова "Структурные и кинетические особенности неорганических пирофосфатаз V.cholerae Семейства I" Биохимия, (2009) т. 74, №7, с. 906-915.

5. Е.А. Смирнова, Ю.А. Кислицын, Н.И. Сосфенов, А.Н. Попов, И.П. Куранова "Выращивание кристаллов белков на Российском сегменте Международной космической станции" Кристаллография, 2009 т. 54, №5, с. 948-958.

6. I.V. Demidyuk, T.Yu. Gromova, K.M. Polyakov, W.R. Melik-Adamyan, I.P. Kuranova, and S.V. Kostrov "Crystal structure of protealysin precursor: Insight into propeptide function" Journal of Biological Chemistry, 2009, принято в печать

7. V.I. Timofeev, R.N. Chuprov-Netochin, V.R. Samygina, V.V. Bezuglov, K.A. Miroshnikov and I.P. Kuranova "X-ray investigation of gene-engineered human insulin crystallized from complex with polysialic acid" Acta cryst. F, 2009 послано в печать.

8. И. Тимофеев, Е. А. Смирнова, Л. А. Чупова, Р. С. Есипов, И. П. Куранова, «Приготовление кристаллического комплекса фосфопантетеин аденилилтрансферазы Mycobacterium Tuberculosis с коферментом А и исследование его пространственной структуры при разрешении 2.1 A.», Кристаллография, 2010, том 55, № 6, с. 1058-1056.

9. И. П. Куранова, Е. А. Смирнова, Ю. А. Абрамчик, Л. А. Чупова, Р. С. Есипов, В. Х. Акпаров, В. И. Тимофеев, М. В. Ковальчук, «Выращивание кристаллов фосфопантетеин аденилилтрансферазы, карбоксипептидазы Т и тимидинфосфорилазы на Международной космической станции методом встречной диффузии в капилляре», Кристаллография, 2011, том 56, № 5, с. 944–951.

10 V. Kh. Akparov, A. M. Grishin, , V. I. Timofeev, I. P. Kuranovа, «Preparation, Crystallization, and Preliminary X-ray Diffraction Study of Mutant Carboxypeptidase T Containing the Primary Specificity Pocket of Carboxypeptidase B», Crystallography Reports, 2010, Vol. 55, No. 5, pp. 802–805.

11. Пространственная структура рекомбинантной карбоксипептидазы т из thermoactynomyces vulgaris, не содержащей связанных ионов кальция. В. Х. Акпаров, В. И. Тимофеев, И. П. Куранова. Кристаллография, 2011, том 56, № 4, с. 705–711.

12. Выращивание кристаллов фосфопантетеин аденилилтрансферазы, карбоксипептидазы T и тимидинфосфорилазы на международной космической станции методом встречной диффузии в капилляре. 2011 г. И. П. Куранова, Е. А. Смирнова, Ю. А. Абрамчик, Л. А. Чупова, Р. С. Есипов, В. Х. Акпаров, В. И. Тимофеев, М. В. Ковальчук. Кристаллография, 2011, том 56, № 5, с. 941–948.

13. Пространственная структура фосфопантетеин аденилилтрансферазы из Mycobacterium tuberculosis в апо-форме и в комплексах с коферментом А и с дефосфокоферментом А. В. И. Тимофеев, Е. А. Смирнова, Л. А. Чупова*, Р. С. Есипов*, И. П. Куранова Кристаллография. 2012, том 57, № 1, с. 26–34.

Готовятся к публикации:

1. Журнал – Biochemistry Mosc. По структуре нитритредуказы (результат JAXA#3).

2. Журнал – Acta Cryst. D. По структуре нитритредуказы в комплексах (результат JAXA#3).

3. Журнал – Acta Cryst. D. По структуре уридинфосфорилазы (результат JAXA#2).

Участники КЭ докладывали результаты КЭ и наземных исследований на 7 конференциях и симпозиумах.

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "ОАСИС"

Изучение смектических островков в пленках в условиях космоса

Научный руководитель Долганов В.К., ИФТТ РАН, г.н.с., д.ф.-м.н.
Организация постановщик Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твёрдого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Другие организации участники Исследовательский центр жидкокристаллических материалов университета штата Колорадо в Боулдере (США) (Liquid Crystal Materials Research Center, Department of Physics, University of Colorado, Boulder, U.S.A.), Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»

 

Цель

Исследование поверхностного и гидродинамического поведения в свободно подвешенных пленках жидкого кристалла и изучение фундаментальных явлений в неравновесных жидкостях на границе раздела фаз.

 

Описание

Согласно ТЗ на КЭ общими целями проекта являются дальнейшие исследования двумерных плёнок и пузырьков:

(1) исследование физических процессов в сверхтонких однородных SmA плёнках (без дислокаций), приближающихся к идеальному случаю двумерной жидкости;

(2) возможности оствальдовской переконденсации в массивах островов/капель на поверхности смектического пузырька, в условиях, когда слияние контролируется отталкиванием, осуществляемым через текстуру (т.е. в SmC фазе) или прямыми взаимодействиями островов/капель (т.е. в SmA фазе);

(3) динамики огрубления в массивах островов/капель на поверхности смектического пузырька в условиях, когда слияние происходит значительно быстрее, чем переконденсация (т.е. в неполярных SmA плёнках);

(4) изучение коллективного поведения слабо взаимодействующих островов/капель, в том числе с использованием электрического поля.

Эксперимент проводится на американском сегменте МКС в Перчаточном боксе для проведения исследований в условиях микрогравитации (Microgravity Science Glovebox) на оборудовании «OASIS» с использованием образцов 4-х различных типов жидких кристаллов.

Техническая подготовка эксперимента осуществляется американской стороной.

Полученные результаты повлияют на перспективы использования смектических жидких кристаллов.

Результаты изучения образования и поведения жидкокристаллических пузырей, а также отжига дислокаций смектических пленок в условиях микрогравитации углубят наши знания о смектических сегнетоэлектрических жидких кристаллах, перспективных для практических применений.

 

Аппаратура

Создание научной аппаратуры для проведения эксперимента на борту МКС проводится американскими участниками проекта.

 

Результаты

 

Публикации

1. P.V. Dolganov and V.K. Dolganov, Director configuration and self-organization of inclusions in two-dimensional smectic membranes, Phys. Rev. E 73, 041706 (2006).

2. P.V. Dolganov, H.T. Nguyen, G. Joly, V.K. Dolganov, and P. Cluzeau, Shape of nematic droplets in smectic membranes, Europhys. Lett. 78, 66001 (2007).

3. P.V. Dolganov, E.I. Kats, V.K. Dolganov, P. Cluzeau, Dimer structures formed in smectic films by inclusions with parallel and antiparallel topological dipole moments, Письма в ЖЭТФ 90(5), 424-428 (2009).

 

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "Перитектика"

Высокоскоростная кристаллизация перитектических сплавов в условиях электромагнитного перемешивания

Научный руководитель Кривилев М.Д., ВПО «Удмуртский государственный университет», физико-энергетический факультет, зав. лаб., к.ф.-м.н., доцент
Организация постановщик ГОУВПО "Удмуртский государственный университет" (УдГУ)
Другие организации участники Institut fur Materialphysik im Weltraum Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt (DLR) Koln, Germany, Institut fur Festkorperforschung Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW), Dresden, Germany Department of Metallurgy and Materials Engineeing Katholieke Universiteit Leuven (KUL) Leuven, Belgium School of Computing and Mathematics University of Greenwich Greenwich, United Kingdom Mechanical Engineering Department Tufts University Medford, United States Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Massachusetts, Amherst, United States

 

Цель

На основании серии экспериментов по высокоскоростной кристаллизации переохлажденных перитектических сплавов в условиях невесомости выявить зависимость механизма фазового превращения и физико-технических характеристик металлических образцов от условий конвективного перемешивания расплава и разработать технологию получения нового класса магнитных и конструкционных материалов на основе сплавов железа с Ni, Co, Pt и Pd и сплавов Ti-Al-Nb, используемых в промышленности.

Описание

Заявляемый проект посвящен изучению формирования и кристаллического роста стабильных и метастабильных фаз при высокоскоростной безтигельной кристаллизации металлических сплавов. В проекте будет изучено влияние конвективного перемешивания расплава на отбор фаз и кристаллическое структурообразование при фазовых превращениях в перитектических сплавах на основе железа и тройных сплавов титан-алюминий-ниобий, имеющих важное практическое применения.

Целью исследований является создание технологии контроля фазово-структурных характеристик получаемых образцов за счет управления интенсивностью конвективного перемешивания расплава в переменном электромагнитном поле. Влияние конвекции на фазовые превращения и развитие микроструктуры было подтверждено предыдущими исследованиями затвердевания образцов, переохлажденных ниже равновесной температуры кристаллизации, с использованием оборудования для электромагнитной левитации TEMPUS в условиях невесомости. Данные эксперименты проводились для системы Fe-Co в рамках проекта MAGNEPHAS 2004-08 гг. Европейского космического агентства и для Fe-Cr-Ni в рамках КЭ STS-94, финансировавшегося НАСА.

Для проведения на борту МКС безтигельной плавки и кристаллизации образцов будет использоваться печь для электромагнитной левитации MSL-EML. Возможности указанной НА для достижения контролируемого уровня конвективного перемешивания расплава будут использованы для изучения влияния конвекции на скорости зарождения и роста стабильных и метастабильных кристаллических фаз. Основным анализируемым параметром выступает время задержки между зарождением метастабильной фазы и последующим ее превращением в стабильную фазу в процессе высокоскоростной кристаллизации. С этой целью положение, морфология и скорость фронта затвердевания как стабильной, так и метастабильной фаз будут фиксироваться высокоскоростной видеокамерой. Выбор исследуемых сплавов мотивирован возможностью зарождения первичной метастабильной ОЦК фазы и последующим превращением в стабильную ГЦК фазу, которое наблюдается в сплавах железа с Ni, Co, Pt и Pd.

Методы исследования включают как подготовку и проведение КЭ на борту МКС с последующим анализом структуры полученных образцов, так и многостороннее теоретическое моделирование явлений переноса в кристаллизующемся расплаве и их влияния на зарождение и рост фаз.

Проект направлен на решение двух фундаментальных вопросов: «Каково влияние конвекции на формирование микроструктуры кристаллизующихся сплавов?» и «Каков эффект микрогравитации на временные и пространственные масштабы протекания процессов зарождения и роста?». Проект соответствует двум направлениям секции №2 КНТС Роскосмоса: “Процессы получения других материалов” и “Физика жидкости, явления переноса”. Цели, задачи, методы, ожидаемые результаты и распределение работ между российскими и иностранными участниками проекта описаны в техническом задании на КЭ.

Перитектические сплавы относятся к одним из наиболее широко использующихся материалов в промышленном производстве. Следовательно, изучение механизмов кристаллизации подобных систем востребовано для разработки широкого класса изделий. Исследуемые в проекте сплавы Fe - (Ni, Co, Pt, Pd) широко используются для производства магнитомягких магнитных материалов. Создание сплавов в данном классе позволит расширить спектр новых материалов с прогнизируемыми магнитными и электрическими свойствами при сохранении экономически обоснованной стоимости их производства. Вторая группа образцов - интерметаллические сплавы на основе Ti-Al-Nb - относится к жаропрочным легким соединениям, что перспективно при разработке новых конструкционных материалов в аэрокосмической отрасли, в частности, в производстве лопастей турбин и двигателей.

Аппаратура

КЭ проводится с использованием научной лаборатории MSL для проведения исследований в области материаловедения, расположенной на модуле МКС Коламбус. В 2012 г. будет закончено дополнительное комплектование лаборатории новым НА - печью для изучения кристаллизации металлических образцов в условиях микрогравитации MSL-EML.

Печь MSL-EML с устройством позиционирования и нагрева образцов переменным электромагнитным полем высокой частоты позволяет проводить КЭ по бесконтейнерной кристаллизации металлических расплавов в условиях достижения значительных переохлаждений. Изготовеление НА производится компанией EADS/Astrium по независимому от данного проекта контракту с ESA. Печь MSL-EML состоит из набора блоков, размещенных внутри комбинированного модуля, включающего несколько видов оборудования и имеющего унифицированную систему подключения НА. Печь состоит из:

• экспериментального модуля, состоященого из камеры, в которой создаются условия сверхвысокого вакуума или инертной газовой среды, образцедержателя, системы левитации из двух электромагнитных индукторов (катушек), датчиков положения образца и контроля текущих параметров эксперимента;

• блока электронного управления КЭ и интерфейса с системами передачителеметрических данных,

• высокоскоростной видеокамеры с системой сжатия и хранения изображений;

• блоков питания и водяного охлаждения;

• блока обеспечения газа в экспериментальной камере;

• внешнего контейнера для доставки на МКС и спуска 18 образцов;

• блока загрузки образцов в контейнер. Экспериментальный модуль сконфигурирован из следующих агрегатов: операционной камеры; камеры с образцом (образцедержателя); системы двух индукторов в виде спиралей особой геометрии для позиционирования и нагрева образца; системы обратной связи; аксиальных (фронтальных) видеокамеры и пирометра; цифровой видеосистемы; радиальной (боковой) видеокамеры; фронтальных и боковых защитных экранов; подсветки; турбомолекулярного вакуумного насоса; системы рециркуляции газа с пылевым фильтром; системы продувки камеры.

Система высокоскоростной видеосъмки функционирует в друх режимах: с высоким сжатием видеоданных и передачей данных по каналу связи в режиме реального времени; с низким сжатием видеоизображения, записью на устройства хранения данных и передачей данных по каналу связи после завершения КЭ.

Блок загрузки образцов сконструирован для одновременной загрузки 18 образцов из внешнего контейнера через герметичный бокс, наполненной аргоном с содержанием кислорода менее 5 частиц на миллион (<10-4 %), для исключения контакта образцов с окружающей средой.

Внешний контейнер для доставки на МКС и спуска 18 образцов имеет цилиндрическую форму диаметром 200 мм и длиной 170 мм. Масса внешнего контейнера, включая массу 18 образцов равна 4 кг.

Результаты

 

Публикации

1. D. M. Herlach, P. K. Galenko, D. Holland-Moritz: Metastable Solids from Undercooled Melts, (Ed. R. Cahn), ISBN 978-0-08-043638-8, Pergamon Materials, 2007.

2.  M. Krivilyov and J. Fransaer, Proc. of ICCFD4, 2006

3.  М.Д. Кривилёв, П.К. Галенко. Моделирование перехода к бездиффузионному затвердеванию при высокоскоростной кристаллизации бинарных сплавов // Вестник УдГУ, 2008, выпуск 1, стр. 129-140.

4. P.K. Galenko and M.D. Krivilyov, Modeling of a transition to diffusionless dendritic growth in rapid solidification of a binary alloy // Computational Materials Science, vol. 45(4) (2009), pp. 972-980.

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "СВС"

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) в космосе

Научный руководитель Мержанов А.Г., ИСМАН РАН, академик РАН (координатор – Сычев А.Е., к.т.н.)
Организация постановщик ФГБУ ИСМАН РАН
Другие организации участники ОИВТ РАН, ФГУП ЦНИИмаш, ОАО РКК «Энергия»

 

Цель

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

Описание

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».

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.

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.

Публикации

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.

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "Химия-Образование"

Научный руководитель
Организация постановщик
Другие организации участники

 

Цель

 

Описание

 

Аппаратура

 

Результаты

 

Публикации

 

Вверх   Показать все        

Космический эксперимент "Электрическое пламя"

Контроль горения электрическими полями

Научный руководитель Минаев С. С., Дальневосточный федеральный университет - Инженерная Школа , зав.лаб., д.ф.-м.н.,
Организация постановщик Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет»
Другие организации участники Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет»

 

Цель

Получение экспериментальных данных высокой точности для изучения влияния электрических полей на диффузионное пламя.

Описание

Порядок проведения КЭ. Эксперимент проводится на американском сегменте МКС в интегрированной стойке для экспериментов по горению (Combustion Integrated Rack).

В состав оборудования входят:

-Камера со свободным объемом порядка 85л и диапазоном рабочих давлений от 1 до 3 атм с двумя ортогональными оптическими окнами с полем зрения 120мм обеспечивает пространство, необходимое для проведения эксперимента,

- Горелка с инжекцией топлива через трубку O 2.1 мм, расположенную в трубке большего диаметра O 25 мм в которой создан спутный поток воздуха для формирования ламинарного диффузионного пламени,

- Система создания и контроля высокого напряжения (до 10 кв) между горелкой и круглой сеткой помещенной над горелкой,

-Резистивная система воспламенения (50Вт/0.5с), позиционируемая шаговым двигателем, позволяет инициировать реакцию горения в определенной области пространства,

- Система подачи и утилизации газов, включающая три массовых расходомера, обеспечивает наполнение камеры сгорания инертным газом с окислителем (O2 и N2), топливом (СН4, С2Н4) с расходами 0-0.3 л/мин ±5% для топлива и 0-11.0л/мин ±5%, соответственно, а также утилизацию продуктов реакции,

-Измерительная аппаратура предназначена для визуально-инструментальной регистрации свойств и динамики диффузионного пламени при влиянии электрических полей, и включает в себя: (1) систему контроля давления в камере (0.1-4бар ±1%); (2) термопары (0-700С±2С), которые расположены как вблизи горелки (4 шт.), так и на периферии (6 шт.) камеры сгорания; (3) акселерометр SAMS; (4) радиометры (0.2-11 мкм), один фиксированный широкоугольный и пять съемных; (5) камеры: аналоговая цветная со светодиодной подсветкой, цифровая цветная (12-бит, до 30 кадров/с, 1360х1024) с набором фильтров (сине-зеленый, 430- и 450 - нм для съемки излучения СН*), монохромная камера с усилителем яркости изображения (310 нм, до 30 кадров/с, 512х512) для съемки излучения ОН*; (6) три широкоугольных ФЭУ (230-700 нм, 310 нм и 430 нм); (7) система лазерной экстинкции на основе лазерных диодов с волоконным выходом и монохромной цифровой камеры (30 кадров/с, 1024х1024); (8) система пирометрии на основе перемещающейся сетки из 5 кремний-карбидных волокон, расположенных на расстоянии 5мм, и дополнительной сетки для калибровки; (9) газовый хроматограф для анализа состава свежей смеси и продуктов горения,

- блок управления, блок обработки и хранения данных.

Оборудование обеспечивает получение данных о форме пламени, высоте, на которой стабилизируется пламя, сажеобразовании, пределов существования в зависимости от скорости потока, разбавления смеси, напряжения электрического поля. Получение данных о диффузионном пламени, образующего сажу, путем измерения формы пламени, температуры газа в свободной от сажи зоне пламени, светимости сажи, температуры сажи и объёмной доли сажистых частиц в зависимости от скорости потока и разбавления смеси.

 

Аппаратура

НА предназначена для формирования ламинарного диффузионного пламени в спутном потоке воздуха, образуемого путем подачи топливной смеси через центральную трубку O 2.1 мм в окружении ламинарного потока воздуха, протекающего в трубе O 25 мм, и визуально-инструментальной регистрации его свойств, структуры и динамики.

НА реализована в виде интегрированной стойки для экспериментов по горению АС МКС. Разработка и создание НА не требуется. НА и контейнеры с газами изготовлены и находятся на борту АС МКС и удовлетворяют требованиям к месту установки и эксплуатации.

В состав НА входят:

- камера с двумя ортогональными оптическими окнами,

- горелка из двух коаксиальных трубок,

- система воспламенения,

- система подачи и утилизации газов,

- система создания и контроля высокого напряжения (до 10 кв) между горелкой и круглой сеткой помещенной над горелкой,

- измерительная аппаратура (камеры в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне, радиометр, датчики давления и ускорения, термопары, установка лазерной экстинкции и пирометрии, газовый хроматограф),

- блок управления,

- блок обработки и хранения данных.

Камера со свободным объемом порядка 85л и диапазоном рабочих давлений от 1 до 3 атм с двумя ортогональными оптическими окнами с полем зрения 120мм обеспечивает пространство, необходимое для проведения эксперимента.

Резистивная система воспламенения (50Вт/0.5с), позиционируемая шаговым двигателем, позволяет инициировать реакцию горения в определенной области пространства.

Система подачи и утилизации газов, включающая три массовых расходомера, обеспечивает наполнение камеры сгорания инертным газом с окислителем (O2 и N2), топливом (СН4, С2Н4) с расходами 0-0.3 л/мин ±5% для топлива и 0-11.0л/мин ±5%, соответственно, а также утилизацию продуктов реакции.

Измерительная аппаратура предназначена для визуально-инструментальной регистрации свойств, структуры и динамики диффузионного пламени и включает в себя систему контроля давления в камере (0.1-4бар ±1%);

-термопары (0-700С±2С), которые расположены как вблизи горелки (4 шт.), так и на периферии (6 шт.) камеры сгорания;

-акселерометр SAMS;

-радиометры (0.2-11 мкм), один фиксированный широкоугольный и пять съемных;

-камеры: аналоговая цветная со светодиодной подсветкой, цифровая цветная (12-бит, до 30 кадров/с, 1360х1024) с набором фильтров (сине-зеленый, 430- и 450 - нм для съемки излучения СН*), монохромная камера с усилителем яркости изображения (310 нм, до 30 кадров/с, 512х512) для съемки излучения ОН*; три широкоугольных ФЭУ (230-700 нм, 310 нм и 430 нм); система лазерной экстинкции на основе лазерных диодов с волоконным выходом и монохромной цифровой камеры (30 кадров/с, 1024х1024);

-система пирометрии на основе перемещающейся сетки из 5 кремний-карбидных волокон, расположенных на расстоянии 5мм и дополнительной сетки для калибровки; газовый хроматограф для анализа состава свежей смеси и продуктов горения.

 

Результаты

 

Публикации

1. A. Katoch, M. Asad, S. Minaev, S.Kumar, “Measurement of laminar burning velocities of methanol-air mixtures at elevated temperatures”, Fuel, (2016), 182, pp. 57-63.

2. T. Miroshnichenko, V. Gubernov, K. Maruta, S. Minaev, “Diffusive–thermal oscillations of rich premixed hydrogen–air flames in a microflow reactor”, Combustion Theory and Modelling, (2016), pp. 1-15.

3. B. Aravind, R.K. Velamati, A.P. Singh, Y. Yoon, S. Minaev, S. Kumar, “Investigations on flame dynamics of premixed H2-air mixtures in microscale tubes” , RSC Advances, Volume 6, Issue 55, (2016), pp. 50358-50367

4. R. Fursenko, S. Mokrin, S. Minaev, K. Maruta, “Diffusive-thermal instability of stretched low-Lewis-number flames of slot-jet counterflow burners”, Proceedings of the Combustion Institute, (2015).

5. V.V. Gubernov, S.S. Minaev, V.I. Babushok, A.V. Kolobov, “The effect of depletion of radicals on freely propagating hydrocarbon flames”, Journal of Mathematical Chemistry Volume 53, Issue 10, (2015), Pages 2137-2154.

6. Fursenko, R., Minaev, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Hasegawa, S., Kobayashi, T., Takase, K., Katsuta, M., Kikuchi, M., Maruta, K., “Near-lean limit combustion regimes of low-Lewis-number stretched premixed flames”, (2014), Combustion and Flame, 162 (5), pp. 1712-1718.

7. Takahashi, F., Katta, V.R., Linteris, G.T., Babushok, V.I., “Combustion inhibition and enhancement of cup-burner flames by CF3Br, C2HF5, C2HF3Cl2 and C3H2F3Br”, (2015), Proc.Combust.Inst., 35,2741-2748.

8. Sereshchenko, E., Fursenko, R., Minaev, S., Shy, S., “Numerical simulations of premixed flame ignition in turbulent flow”, (2014) Combustion Science and Technology, 186 (10-11), pp. 1552-1561.

9. Fursenko, R., Minaev, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Hasegawa, S., Takase, K., Li, X., Katsuta, M., Kikuchi, M., Maruta, K., “Cellular and sporadic flame regimes of low- Lewis-number stretched premixed flames” (2013), Proceedings of the Combustion Institute, 34 (1), pp. 981-988.

10. Minaev, S., Fursenko, R., Sereshchenko, E., Fan, A., Kumar, S., “Oscillating and rotating flame patterns in radial microchannels”, (2013) Proceedings of the Combustion Institute, 34 (2), pp. 3427-3434.

11. Nakamura, H., Fan, A., Minaev, S., Sereshchenko, E., Fursenko, R., Tsuboi, Y., Maruta, K., ”Bifurcations and negative propagation speeds of methane/air premixed flames with repetitive extinction and ignition in a heated microchannel”, (2012) Combustion and Flame, 159 (4), pp. 1631-1643.

12. Fursenko, R., Minaev, S., “Flame balls dynamics in divergent channel”, (2011) Combustion Theory and Modelling, 15 (6), pp. 817-825.

13. Fan, A., Minaev, S., Sereshchenko, E., Fursenko, R., Kumar, S., Liu, W., Maruta, K., Experimental and numerical investigations of flame pattern formations in a radial microchannel//(2009) Proceedings of the Combustion Institute, 32 II, pp. 3059-3066.

14. Fan, A., Minaev, S., Kumar, S., Liu, W., Maruta, K., Regime diagrams and characteristics of flame patterns in radial microchannels with temperature gradients//(2008) Combustion and Flame, 153 (3), pp. 479-489.

15. Fursenko, R.V., Minaev, S.S., Chang, K.C., Chao, Y.C., Analytical and numerical modeling of a spherical diffusion microflame//(2008) Combustion, Explosion and Shock Waves, 44 (1), pp. 1-8.

16. Minaev, S., Maruta, K., Fursenko, R.,Nonlinear dynamics of flame in a narrow channel with a temperature gradient//(2007) Combustion Theory and Modelling, 11 (2), pp. 187-203.

17. Maruta, K., Kataoka, T., Kim II, N., Minaev, S., Fursenko, R.,Characteristics of combustion in a narrow channel with a temperature gradient//(2005) Proceedings of the Combustion Institute, 30 II, pp. 2429-2436.

18. Kagan, L., Minaev, S., Sivashinsky, G., On self-drifting flame balls//(2004) Mathematics and Computers in Simulation, 65 (4-5), pp. 511-520.

19. Minaev, S., Fursenko, R., Ju, Y., Law, C.K., Stability analysis of near-limit stretched premixed flames//(2003) Journal of Fluid Mechanics, (488), pp. 225-244.

20. Ju, Y., Minaev, S.,Dynamics and flammability limit of stretched premixed flames stabilized by a hot wall// (2002) Proceedings of the Combustion Institute, 29 (1), pp. 949- 956.

21. Minaev, S., Kagan, L., Joulin, G., Sivashinsky, G., On self-drifting flame balls//(2001) Combustion Theory and Modelling, 5 (4), pp. 609-622.

 

Вверх   Показать все