космическая металлургия

[space metallurgy] — металлургия, технологические процессы которой осуществляются, например, в условиях невесомости, космического вакуума, в условиях других планет. Космическая металлургия — зарождающаяся область науки и техники, истоки которой лежат в научно обоснованной К. Э. Циолковским неизбежности и необходимости космического производства (КП). Организация и развертывание КП, в том числе космической металлургии имеют не столь удаленные по времени цели. В развитии космической металлургии заинтересована космонавтика, т. к. процессы космической металлургии она вынуждена использовать для собственных технических нужд. Проблемы и вопросы добычи внеземного сырья, его переработки в металлы и другие вещества решаются пока в теоретических разработках, научно-технических проектах и исследованиях. Вместе с тем ряд компонентов процессов космической металлургии создаются и материализуются уже сейчас. Закладываются научная и техническая основы космической металлургии. Первые серьезные возможности исследования перспектив использования таких внеземных факторов, как невесомость, космический вакуум, в металлургических процессах появились только после создания мощных ракетно-космических транспортных систем. Невесомость — основной внеземной фактор, определяющий особенности процессов космической металлургии на борту космического аппарата (КА) вне атмосферы планеты с неработающими реактивными двигателями. В реальных условиях полета КА достичь абсолютной невесомости, т. е. такого состояния, когда взаимное давление частиц тела равно нулю, невозможно. На КА на околоземной орбите имеет место микротяжесть, составляющая 10^-3 — 10^-5 силы тяжести на поверхности Земли. При этом она не остается постоянной из-за ее непрерывных возмущений. Кроме того, на КА действуют знакопеременные нагрузки с амплитудой 10 — 10^-1 земной силы тяжести и частотой от долей единиц до сотен герц, возникающие из-за вибрации работающих на КА электродвигателей и иных механических перемещений деталей в исполнительных механизмах разных устройств и приборов на борту КА. На обитаемых станциях знакопеременные нагрузки возникают из-за действий человека.
Малое значение силы тяжести в условиях полета КА, а также нестабильность ее величины существенно сказываются на тепло- и массопереносе в расплавах, газовой и паровой фазах и, соответственно, на кинетике металлургических процессов, в частности кристаллизации. Становятся незначительными выталкивающие силы Архимеда. Снижена роль конвекции гравитационного типа. Основными становятся конвективные течения, вызванные капиллярными силами. В результате изменяется процесс фазообразования, микроструктура слитка, характер ликвации компонентов, сегрегации фаз по плотности в слитке и т. д. Все это отражается на свойствах сплавов и материалов. Невесомость открывает также широкие возможности бесконтейнерного удержания любых веществ в жидком состоянии и изменения формы расплава. В процессах формообразования расплавов действие межмолекулярных сил становится определяющим. Расплав в свободном состоянии принимает форму сферы. Другим внеземным фактором, который может быть использован в космической металлургии, является вакуум. На околоземных орбитах КА давление атмосферы 10^-4 — 10 Па. Вблизи КА оно на один-два порядка выше.
Практическое начало космической металлургии было положено экспериментом по плазменно-лучевой и дуговой сварке металлических заготовок в 1969 г. на борту космического корабля «Союз-6» Г. С. Шониным и В. Н. Кубасовым с использованием специализированной установки «Вулкан», спроектированной и изготовленной в Институте электросварки им. Е. О. Патона (г. Киев). Этот эксперимент позволил впервые осуществить и исследовать процессы плавления и затвердевания металла в сварном шве в условиях орбитального полета. В дальнейшем эксперименты по космической металлургии заняли прочное место в космических программах всех индустриально развитых стран.
Для металлургических процессов на борту КА использовались электротермические установки мощностью не более 1 — 1,5 кВт с температурами нагрева до 1500 °С. По мере того, как будут увеличиваться энергетические ресурсы на КА, будут расти и мощности, используемые для целей космической металлургии. Одновременно с проблемой энергопотребления решаются и вопросы регулирования температурного режима на борту КА созданием специальных систем отвода тепла в космическое пространство.
Установки для процессов космической металлургии проектируются так, чтобы в наибольшей мере автоматизировать выполняемые ими операции. На автоматической КА установки полностью автоматизированы. В космических печах приняты меры для предотвращения растекания расплавов, выхода из печей нагретых газов и т. п. Каждый металлургический процесс осуществляется в индивидульной герметической ампуле, капсуле или герметичной камере. Использование ампул и капсул облегчает транспортировку обрабатываемого веществ на КА и обратно.
Для углублубления исследования явлений, определения специфической особенности металлургических процессов в условиях космического полета, создаются специальные установки и приборы для научных исследований. например исследуются: поведение объемов жидкости, находящейся в контейнерах разной формы, в условиях действия внешних сил, которые могут появляться на борту КА; структура, устойчивость и интенсивность конвективных течений жидкости, в т. ч. вызываемых капиллярными силами; динамика процессов формообразования под действием капиллярных сил; способы управления структурой и интенсивностью конвективных течений; тепло- и массоперенос в расплавах и газах. Создаются соответствующие установки и изучаются такие фундаментальные свойства, как коэффициенты диффузии в расплавах и парогазовых средах, термодиффузия, поле переменного вектора ускорений, возмущений вектора микротяжести и конвекции из-за градиентов капиллярных сил. В условиях космического полета получено достаточно большое количество образцов металлических сплавов и интерметаллических соединений с полупроводниковыми, магнитными или сверхпроводящими свойствами.
Исходя из экспериментальных и теоретических исследований, а также технико-экономической целесообразности, предпочтение отдается развитию процессов получения в условиях космического полета монокристаллов и эпитаксиальных структур полупроводников: Si, Ga As, Cd Те и др.
Смотри также:
— Металлургия
— черная металлургия
— цветная металлургия
— порошковая металлургия
— металлургия полупроводников
— плазменная металлургия
— вакуумная металлургия
— бескоксовая металлугрия
— атомная металлургия