Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 9.4. космическая металлургия 9.5. Электрохимическая энергетика

Подобный материал:

• Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
• Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
• Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
• Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
• Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.

9.4. КОСМИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Одним из первых направлений металлургических исследований в невесомости стала модификация пайки и сварки применительно к условиям космоса для обеспечения ремонта космических кораблей или сборки металлических конструкций на орбите. Впоследствии появилась возможность использовать особенности невесомости на борту орбитальных спутников для совершенствования других металлургических процессов. Такая ситуация сложилась к началу 70-х гг. XX в., когда стало возможным проведение первых экспериментов на борту космической лаборатории “Скайлэб”. С целью проверки фундаментальных теорий в области материаловедения и разработки научной базы металлургии в 1975 г. были поставлены эксперименты на борту космического комплекса “Спейслэб-1”. Значительное число космических экспериментов было проведено за последние 15 лет на космических станциях “Салют”.

Улучшение свойств металлических материалов при их получении в космических условиях связано с отсутствием:

• термической конвекции в расплаве — что способствует стабилизации плоского фронта затвердевания;
  
• плавучести — что приводит к стабильности смесей компонентов различной плотности;
  
• гравитации — что открывает возможность бесконтейнерного удержания расплава.
  

Процесс бесконтейнерной и бестигельной плавки в космосе может выглядеть так. После доставки с Земли слиток металла либо компонентный сплав (например, в виде спрессованного порошка) нагревается до температуры плавления всех его составляющих компонентов. Вследствие почти полного отсутствия гравитационных сил расплав принимает сферическую форму. Охлаждение может осуществляться через охлажденную стенку технологической установки путем радиации.

Однако при плавлении на орбитальных космических станциях нужно учитывать микроускорения. При несовпадении центра массы расплавленного материала с центром масс орбитальной станции, с увеличением габаритов расплава, а также при внешних возмущениях могут возникнуть значительные инерционные силы, действующие на расплав. Поэтому необходимо иметь возможность управлять формой расплавленного материала или удерживать его в определенном объеме космического технологического аппарата. С этой целью используется как звуковое, так и магнитное поле (рис. 114).


Рис. 114. Схема подвески расплава в звуковом поле


В настоящее время наиболее перспективным способом управления формой и удержания расплава в условиях пониженной гравитации считается способ бесконтейнерной плавки с электромагнитной подвеской расплавленного металла. В такого рода устройстве используются две-три пары электромагнитных катушек и механизм сервоуправления, который реагирует на сдвиг центра масс расплава к одной из катушек и автоматически регулирует систему. В условиях действия пониженной гравитации можно использовать установку и с одной электромагнитной катушкой. Поле, действующее вдоль оси катушки, не только позволяет удерживать металл, но и может служить источником нагрева путем индуцирования вихревых токов. Возможны и другие способы нагрева “подвешенного” металла, в частности излучением путем концентрации энергии солнечных лучей.

Бесконтейнерным методом можно производить из разнородных исходных материалов изделия не только из металлов и сплавов, но и из стекла с весьма совершенными поверхностями. Примером таких изделий служат твердые фильтры из взвеси малопрозрачных частиц внутри прозрачного материала (показатели преломления частиц и материала совпадали лишь для одной длины волны). В результате световое излучение лишь этой длины волны будет проходить через фильтр без потерь; излучение всех других длин волн будет сильно рассеиваться и поглощаться из-за многократных отражений между частицами.

Первый эксперимент по пайке в невесомости был осуществлен на космическом комплексе “Скайлэб”. Для пайки были подготовлены два никелевых образца и два образца из различных марок нержавеющей стали, а также сложный припой. Каждый из образцов представлял собой трубку, помещенную в муфту и заполненную припоем. Ширина зазора поддерживалась при помощи ограничителей с точностью до 0,5 мм.

Проведенный на “Скайлэб” эксперимент подтвердил возможность пайки в космосе. Благодаря низкому остаточному гидростатическому давлению в жидком припое удалось запаивать зазоры, в 10 раз превышающие максимальные зазоры, запаиваемые на Земле. Полученный результат позволил сделать вывод, что требования к допускам на зазоры для пайки в космосе могут быть значительно ослаблены. Это существенно упростит изготовление деталей и сборку металлических конструкций.

Гелиосварка — сварка с использованием лучистой энергии Солнца. Особенно возрастают перспективы ее использования в космосе, где уровень радиации солнечной энергии в два раза выше, чем на Земле. Простота подвода и дозирования энергии позволяет с помощью одного устройства выполнять различные технологические операции. Возможность бесконтактного подвода энергии к изделию допускает обработку материалов в атмосфере любого состава и давления. Учитывая отсутствие механических воздействий лучей на расплавленный металл, можно считать, что лучистая энергия является единственным источником нагрева для сварки тонколистовых конструкций без опасности прожога.

С целью моделирования в земных условиях процессов гелиосварки, пайки и термообработки в Институте проблем материаловедения Украины была создана гелиоустановка, которая доказала перспективность использования лучистой энергии Солнца для различных технологических целей в космосе. Дальнейшим развитием этого типа установок можно считать малогабаритную гелиоустановку “Луч-1”, которую можно эксплуатировать непосредственно в космическом полете.

Установка “Луч-1” имеет диаметр зеркала 1,5 м. В рабочий агрегат, где осуществляется сам технологический процесс (сварка, пайка и т. д.), встроена оптическая система. Солнечные лучи, падающие на отражатель, собираются в районе фокуса, где установлен контротражатель, как и отражатель, выполненный в форме параболоида, но значительно меньших размеров. С помощью электропривода и штанги контротражатель направляет лучи на систему плоских кварцевых линз, на которые нанесены кольцевые зоны. Вследствие этого лучи преломляются таким образом, что их поток концентрируется в нужной точке рабочей камеры, где размещены технологические образцы.

Интенсивность потока можно регулировать посредством кольцевой оптической заслонки, установленной после линз на пути хода лучей, или за счет перемещения контротражателя. В вакуумной камере с помощью упоров и установочных винтов закреплена поворотная головка, на которой размещено шесть образцов, подводимых по очереди под лучевой поток. Поворот головки и смена образцов производятся автоматически.

Проведенные эксперименты продемонстрировали применимость обычных методов лучевой сварки и пайки в условиях космоса.

Возможность получения в космосе материалов, обладающих уникальными свойствами, обоснована теоретически. В основном это относится к многофазным системам, управление процессами формирования структуры которых является важной областью материаловедения. Условия невесомости способствуют достижению такой цели.


9.5. Электрохимическая энергетика


Обычной “нержавейкой” в наши дни никого не удивишь. А вот в США выдан патент на прозрачную нержавеющую сталь. Столь необычный металл изготовляют электрохимической обработкой тончайших стальных полос, в результате чего между отдельными кристаллами образуются субмикроскопические трещины. Эти мельчайшие поры не снижают прочность металла, но делают его прозрачным, придают ему равномерную микропористость. Такой материал используется для изготовления некоторых клапанов, фильтров и т. д.

При горении дерева, угля, газа, нефти атомы углерода теряют электроны, атомы кислорода приобретают электроны. Таким образом углерод и кислород соединяются в молекулы углекислого газа. Химическая энергия системы переходит в тепловую, процесс идет с высокой скоростью, повышается температура, появляется видимое пламя. Обмен электронами при горении происходит хаотично, неупорядоченно.

Первый топливный элемент на основе химических процессов был создан случайно. У.Р. Гров в 1839 г. проводил опыты с целью разложения разбавленного раствора серной кислоты электрическим током и обнаружил, что процесс может идти в обратную сторону при использовании платиновых полосок, полупогруженных в раствор. Это открытие он опубликовал как бы между прочим.

Ни сам ученый, ни его современники до конца не осознали, что было открыто новое явление — основа принципиально иных технологий. Фактически химическое горение превращалось в электрический ток.

Электрохимические батареи, генерирующие ток, были уже известны, но в них “сжигались” металлы: цинк, свинец, никель, а в опыте Грова — сжигался водород, который соединялся с кислородом. Электрохимически сжигать водород гораздо дешевле.

Электрохимия основана на взаимодействии газа (водорода), источник ионов — электролит (раствор щелочи в воде) и металл, принимающий образующиеся в реакции электроны. Этот процесс идет на стыке трех фаз (трехфазной границе). Чтобы получить электрический ток к границе раздела металл—электролит—газ, необходимо непрерывно подводить ионы и отводить электроны. Обеспечивается это вторым специально подобранным электродом. К нему подводится кислород или воздух.

Электрохимическое горение может проходить при обычной температуре и почти без потерь. В 1893 г. Нернст теоретически доказал, что при электрохимическом соединении угля с кислородом коэффициент полезного действия достигает 99,75 %. Это основное достоинство топливных элементов.

Аналогичные процессы протекают в живой природе, где химическая энергия преобразуется в механическую (в мышцах), в электричество (в нервных клетках), в свет (светлячки). Во всех этих превращениях происходит холодное горение водорода в кислороде.

Известный немецкий ученый Оствальд в 1894 г. писал: “Путь, которым можно решить самый важный из всех технических вопросов — вопрос получения дешевой энергии, должен быть теперь найден электрохимией. Если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию непосредственно из угля и кислорода воздуха в количестве более или менее соответствующем теоретическому, то это будет техническим переворотом, превосходящими по своему значению изобретение паровой машины”.

Преимущества топливных элементов очевидны: работа при обычной температуре, отсутствие выбросов, высокий КПД.

Французский ученый А. Беккерель 150 лет назад обнаружил электрический ток в цепи при освещении электрохимической ячейки. Это было первым шагом к электрохимическому преобразованию солнечной энергии. В настоящее время солнечные батареи широко используются в быту и в производстве как источники электроэнергии и тепла.