Текст
                    ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ПО НАУКЕ И ТЕХНИКЕ
ВСЕСОЮЗНЫЙ ИНСТИТУТ НАУЧНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(ВИНИТИ)
Для служебного пользования
Экз.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ
В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ
Приложение к ЗККС № 3
МОСКВА 1990


ОБЪЕДИНЕННАЯ РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ информационных изданий по астрономии, геодезии, исследованиям космического пространства и Земли из космоса Главный редактор: акад. Р. 3. САГДЕЕВ Члены редакционной коллегии: проф. Т. А. Агекян, акад. В. А. Амбарцумян, д. ф.-м. н. Ю. В. Батраков, акад. А. А. Боярчук, чл.-корр. АН СССР Ю. Д. Буланже, к. т. н. Б. Д. Власов, проф. В. Г. Горбацкий, д. ф.-м. н. А. А. Гурштейн, проф. Я. Л. Зиман, акад. К. #. Кондратьев, к. ф.-м. н. Э. В. Кононович, д. ф.-м. н.»Л. П. Кропоткин, проф. М. Я. Маров, проф. А. Г. Масевич, к. т. н. Я. /7. Медведев, д. ф.-м. н. Д. И. Нагирнер, проф. Ю. М. Нейман, проф. И. Д. Новиков, проф. Л. П. Пеллинен, проф. В. В. Подобед, к. х. н. Л. Д. Ревина, к. ф.-м. н. И. Н. Самусь, проф. В. А. Сарычев, А. Н. Седякина (ученый секретарь редколлегии), д. ф.-м. н. В. И. Слыш, акад. В. В. Соболев, д. ф.-м. н. А. В. Тутуков, к. ф.-м. н. В. Г. Шамаев, д. ф.-м. н. В. В. Шевченко, к. ф.-м. н. К. Б. Шингарева, к. ф.-м. н. Я. С. Щербина-Самойлова (зам. главного редактора) Составитель - Б. А. Булатников Научный редактор — к. т. н. Б, И. Ермишкин ВИНИТИ, 1990
Космические ведомства США, Западной Европы и Японии в рамках национальных и международных программ привлекают широкий круг ученых из научных организаций, университетов и промышленности к подготовке и проведению экспериментальных исследований (И) в условиях микрогравитации. Эти И охватывают широкий спектр проблем в фундаментальных и прикладных областях физики, химии, материаловедения, биологии, медицины и их сочетаний. Условия микрогравитации дают уникальные возможности изучения процессов и явлений в условиях практического отсутствия естественной подъемной силы (плавучести), осаждения, конвекции и гидростатического давления. За период 1982-1985 гг. (до катастрофы. ОС 'Чегсленджер* и последовавшей за этим серии наудачных пусков западноевропейских, американских и японских РН, которые привели к длительному перерыву в космических полетах) получены первые результаты наблюдений и И весьма интересных явлений в различных областях. К важнейшим из них относят следующие: - выращивание кристаллов: улучшение химической однородности, структурных свойств и распределения легирующих примесей, получение более крупных кристаллов протеина, что позволяет осуществить их структурный анализ; - металлургия и композиционные материалы: существенное повышение точности определения термофизических свойств, выявлено существование новых механизме» разделения фаз несмешиваюшихся материалов; - гидрогазодинамика: весьма интересные результаты,, показывающие неадекватность современных теоретических мо~ детей; - электрофорез: очень высокие скорости прсщессов, умеренное повышение уровня чистоты^ з
- биология клеток и роста: получены убедительные свидетельства влияния гравитации на биологические организмы, резко выраженные изменения в диференциации и пролиферации (росте) клеток; - физиология человека: лучшее понимание функционирования вестибулярной и сердечно-сосудистой систем. Современные программы И в условиях микрогравитации определяют преимущественно возможности американского МВКА 'Спейс Шаттл" по выводу на низкие околоземные орбиты (НОО) беспилотных орбитальных платформ (ОП), ИСЗ, бортовых орбитальных лабораторий (ОЛ) и экспериментальных установок. В И используются также различные наземные установки для физического моделирования невесомости - вертикальные трубы со свободно падающими в нормальной или разреженной газовой среде модулями, исследовательские ракеты (ИР) и самолеты, выполняющие полет по параболической траектории. При этом получают условиям и крогравита- ции на временных промежутках от единиц секунд до нескольких минут. В 1989 г. велись переговоры и подписаны коммерческие контракты с Главкосмосом СССР о полетах космонавтов Франции, Великобритании и Австрии на орбитальной космической станции 'Мир* с проведением на ее борту длительных экспериментов в условиях микрогравитации. Так, с французским космическим центром CNES в 1989 г. заключено соглашение о третьем полете французского космонавта на советском КК ( намечен мишень Тоньини - дублер Жан-Лу Кретьена, совершившего два предыдущих полета - на ОКС *Салют-7* в 1982 г. и на борту ОКС 'Мир* в ноябре 1988 г.). Сумма взноса Франции оценивается 10-12 млн долл. Аналогичное соглашение готовится с Австрией. 28 июня 1989 г. состоялось подписание между Гла&- космосом и специально сформированной частной английской компанией Antique га соглашения по осуществлению на коммерческих основах проекта *Джюног, который заключается в подготовке и выполнении 8-суточного полета на борту ОКС "Мир* первого британского космонавта и проведении комплекса экспериментов. Взнос фирмы оценивается в 16 млн. ф. ст. Полет планируется на март>-апрбль 1991г. Совет по отбору предлагаемых промышленными, университетскими и исследовательскими организациями экспериментов (председатель проф. Вольф из Брунетьского университе- 4
та) ведет отбор предположений, руководствуясь граничными условиями; общая масса бортового английского научного оборудования, выводимого на орбиту, - в пределах 100 - 300 кг, из которых 10 кг возвращается на землю; простота обслуживания; способность выдержать стартовые перегрузки; основная направленность эксперимента - И в области микрогравитации и медицины. По утверждению директора проекта 'Джюно' Крэхэма, требования к бортовому оборудованию стимулируют микроминиатюризацию технологии. Сообщается о возможности других полетов в рамках контракта между Главкосмосом и английской компанией, минимальный интервал между которыми определяется временем, необходимым для подготовки космонавта и его дублера ^ Звездном городе (18 мес.) Учитывая это, второй полет британского космонавта может состояться не ранее 1993-1994 гг. ЕКА и стран-участниц В долгосрочном плане программа Европейского космического агентства и национальные программы стран-участниц агентства первоначально подразделялись на два периода: до и после введения в эксплуатацию обитаемой западноевропейской ОКС "Колумб* - по времени ориентировочно с середины 1989 до 1997 г. и с середины 1997 до 2000 г. Второй период связывают также с разработкой международной постоянной ОКС "Фридом". Из-за катастрофы МВКА гСпейс Шаттл' с орбитальной ступенью (ОС) 'Чепенджер* начало первого временного периода, как полагают, отодвинется на 3 года - до середины 1992 г. В этот период основные усилия космических ведомств и ученых предполагается -направить на повышение активности в области 'мини-полетов', осуществляемых с использованием таких независимых от американского МВКА возвращаемых систем, как Ботанические мини-установки, и на разработке отдельных компонентов новой, транспортной космической системы (ТКС), которая будет базироваться на постоянной международной ОКС 'Фридом', МВКА "Спайс Шаттл', западноевропейских РН *Ариан-5', МВКА 'Гермес' и ОКС 'Колумб'* Осуществляются программы регулярных пусков ИР - шведской Maser и западногерманской Texus, Так, 29 февраля 1989 г, успешно осуществлен очередной 1-3 5
пуск шведской ИР с космического полигона Ккруна (север Швеции). На боргу ИР выполнено 8 экспериментов, из которых 7 по программам ЕКА, относящимся к фундаментальным И по несмешиваюитамся сплавам, металлургии, выращиванию полупроводников, теплопередаче и поверхностному натяжению жидкостей. Состояние микрогравитации на уровне IQr^ g длилось 7 мин 18 с. Телевизионная смесь обеспечила возможность двум ученым - специалистам в области физики жидкости, находясь на полигоне, наблюдать ход своих экспериментов в реальном времени. Комплекс западноевропейской ОКС 'Колумб' включает помимо собственно ОКС систему КА, к которой относят Стыкуемый герметичный модель АРМ, Обслуживаемую человеком орбитальную платформу (ОП) MTFF, полярную ОП PPF и ОП "Еврека' ( Еигеса _ По начальным слогам французского наименования ОП - Европейский возвращаемый носитель). В отличие от трех первых КА, формально 'Еврека' не входит в проект 'Колумб' и разрабатывается по самостоятельному проекту, опережающему его, но в некоторых источниках эту ОП относят к комплексу 'Колумб* по основному назначению. Разработка всех элементов комплекса 'Колумб' (этапы C/D) должна быть завершена к 1997 г. Их использование связывают главным образом с И в условиях микрогравитации по готовящейся ЕКА специальной Про- . грамме микрогравитации. Основная цель этой программы - заложить фундамент для будущих операций в космосе, связанных с микрогравитацией. Первый этап Программы микрогравитации предусматривает фундаментальные И по материаловедению и наукам о жизни, а также накопление банка данных, из которого будущие исследователи из университете» и промышленности смогут получать необходимые им знания. Полагают, что основными пользователями перспективной инфраструктуры автономных ОП на НОО будут ученые по этим двум научным направлениям. На автономных ОП предполагается проводить эксперименты главным образом по технологии обработки металлов и по выращиванию кристаллов. В обитаемых лабораториях ОКС основная масса И планируется в областях наук о жизни и физики жидкости. В модуле АРМ размещаются 40 единичных или 20 двойных стеллажей для размещения экспериментальных установок, из которых в соответствии с Программой микрогравитации 45% б
будут комплектоваться оборудованием экспериментов ЕКА, а остальные 55% - оборудованием экспериментов стран-участ ниц БКА и неевропейских стран (в т.ч. НАСА США), а также коммерческих пользователей. Обслуживаемую ОП MTFF предполагается использовать преимущественно для таких долгосрочных И, как например, выращивание кристаллов и автоматическая обработка биологических материалов, которые требуют длительных периодов соблюдения условий невозмущаемой микрогравитации. Из общего числа 10 двойных (или 2 0 одиночных) стеллажей для оборудования научных экспериментов половину предполагает использовать .БКА, а другая половина будет предоставляться космическим ведомствам стран-участниц БКА или коммерческим пользователям. Еще 10 двойных стеллажей предназначаются для размещения собственных подсистем ОП и хранилищ экспериментов. Полярные (Л PPF будут выводиться на солнечно-синхронные орбиты высотой ^800 км для проведения в условиях микрогравитации экспериментов в области радиационной и экзобиологки. Их цель - И биологических и биомедицинских проблем воздействия ионизированной космической радиации. Предложено разработать для этих ОП второе поколение базовой экспериментальной установки - Экзобиологи- ческая и радиологическая сборка ERA (аббревиатура английского наименования), которая создается для использования ь первом полете ОП 'Еврека* ('Бврека-!'). После ввода в эксплуатацию ОКС "Колумб* предусматриваются jpa6oTbi по трем программным направлениям: обеспечивающая технология и поддержка пользователей; мини-полёты; перспективные И. Предусматриваются мцого таких видов деятельности, как восстановление существующих и разработка новых элементов полезных нагрузок (ПН), повторные попеты ОП "Еврека* каждые 2 года, поддержка Центров стимулирования пользователей микрогравитации MUSC (аббревиатура английского наименования центров), вложения в эксплуатацию ОКС гКолумб*. Так как в модуле АРМ и на OnMTFF недопустимы работы с токсичными материалами, полеты ОП "Еврека* будут продолжаться после ввода в эксплуатацию этих средств и по их орбитам. Много внимания ЕКА уделяет коммерциализации И в условиях микрогравитации, которые позволяют углубить понимание сложных процессов в области медицины, фармако- 1-4 7
логин, материаловедения и др. Фирмы затрачивают миллионы долларов на И этих процессов в условиях земного тяготения и система финансирования промышленных И применительно к проведению в этих условиях отработана, но она часто неприемлема в долгосрочных временных рамках космических И. Требуется известное переосмысление потенциальными пользователями подходов к финансированию И, чтобы получить от них в космосе ценные результаты, часто вообще недостижимые на земле. То же самое относится к получению новых материалов, сплавов, крупных кристаллов и т.п., которые не могут быть произведены в наземных условиях. При этом речь идет не о массовом производстве, а о весьма дорогостоящих предметах, которые могут в несколько раз окупить стоимость затрат. В этой связи упоминается факт, что к весне 1988 г. в СССР уже было доставлено с ОКС "Мир* на землю порядка 500 кг продукции. Элемент риска, присущий любым деловым предприятиям, в космических коммерческих делах также есть, но по оценкам, он меньше, чем у предпринимателей, имеющих дело с земными предприятиями. В немалой степени это обеспечивают тщательные И и разработки, которые уже выполнены БКА. ОП *Еврека* обеспечивает спектр микрогравитации очень низкого уровня, большую длительность проведения экспериментов и возвращение на землю. Эта ОП выводится на опорную НОО в грузовом отсеке ОС американского МВКА и выпускается там в свободный попет. По выполнении задачи полета ОП снимается с орбиты и возвращается на землю. Начальная масса ПН 1000 кг. ОП оборудована системой реактивного движения, которая обеспечивает ее перевод с опорной орбиты на рабочую высотой до 500 км и обратно. Комплект солнечных батарей (С Б) совместно с никель-кадмиевыми аккумуляторами обеспечивает ОП электроэнергией общей мощностью 5 кВт, из которых 1 кВт может постоянно использоваться ПН. Плановая продолжительность первого полета ОП около 6 мес. Ее ПН будет состоять преимущественно из испытательных установок и оборудования, предназначенного для проведения в условиях мнкрогравитации экспериментов в области материаловедения и наук о жизни. Испытательное оборудование размешается в жестких узлах трубчатой структуры ОП из углеродного пластика или монтируется на вспомогательных панелях экспериментов 8
(ВПЭ). Все испытательные установки защищены общим тепловым тентом, под которым поддерживается температурный режим в диапазоне 0-30°С. Терморегулирование обеспечивают охлаждающие панели, которые являются частью общего фреонового охлаждающего контура ОП. На ОП обеспечивается уровень микрогравитации с местными ускорениями, не превышающими 10"^g в диапазоне частот до 1 Гц и lO^^g в диапазоне выше 100 Гц. Полет ОП будет отслеживать одна наземная станция (НС), что обеспечит возможность ежедневно проводить 5 сеансов связи по 10 мин каждый, Для накопления информации и последующей передачи на НС имеется магнитное пузырьковое устройство емкостью 128 Мбит. Передача данных на НС осуществляется средствами пакетной телеметрической системы, которая используется также для обратной связи с ОП при управлении функционированием ПИ с земли • Предусмотрено проведение эксперимента по передаче данных через ИСЗ гОпимпг, что существенно увеличит связи между ОП и землей. На борту ОП предполагается иметь 5 базовых испытательных установок: сборку нагревательных устройств (печей), автоматическую зеркальную печь, установку кристаллизации протеина, екзобиологическую и радиационную сборку, установку выращивания из раствора (УВР). Экспериментам на последней уделяется особое внимание в статье Фримона и Минстера из Управления микрогравитации Европейского центра космических И и технологии в Нордвике (Нидерланн» ды), которая обобщает серию трудов по материаловедению в условиях микрогравитации, опубликованных за период с 1968 по' 1986 гг. (9 источников), излагает иепп и методики И, планируемых на УВР. Эксперименты на УВР имеют главной целью продолжение экспериментальны* И по выращиванию кристаотов при низких температурах» используя метод двойной диффузии. Главные преимущества выращивания кристаллов в низкотемпературных растворах - с одной стороны, исключение проблем, связанных с охлаждением выращенных кристаллов, а с другой - возможность получать кристаллы из термически нестойких материалов. Применимость метода существенно зависит от способности материала растворяться в соответствующем растворителе. Соответственно по мере снижения этой способности возрастают трудности применения метода. 1-5 9
По методу двойной диффузии выращивание кристаллов производится в 3-камерных реакторах, где центральная (буферная) камера заполняется чистым растворителем, а растворы реактантов содержатся раздельно в двух примыкающих к ней камерах. Через открытые распределительные кла- ианы примыкающих камер реактанты могут диффундировать в направлении буферной и когда два фронта диффузии встречаются, происходит химическая реакция. Концентрация продукта реакции расте* до уровней насыщения, необходимых - сначала для образования ядер кристаллизации, затем - для роста кристаллов, В применении к слаборастворимым материалам этот метод чувствителен к любым колебаниям - таким, как конвекция или осаждение в растворе. Эти колебания могут усилить формирование паразитных ядер, которые будут расти каждое отдельно, и в результате вместо единичного кристалла получится поликристаллический порошок. В наземных условиях перенос масс, которым управляет диффузия, можно получить, используя гель, где раствор улавливается эластичной решетчатой системой микропор. Этот метод предотвращает осаждение ядер кристаллизации, которые обычно появляются при спонтанном формировании ядер, и позволяют получать в промышленном масштабе кристаллы улучшенного качества. Однако он применим лишь к немногим веществам, способным образовывать, пригодные для выращивания кристаллов гели. Кроме того гель привносит в среду роста посторонние вещества, которые загрязняют кристалл. Микрогравитация создает уникальные условия для выращивания при низкой температуре кристаллов слаборастворимых веществ. Первая попытка выращивания кристаллов из низкотемпературных растворов в космосе, применяя метод двойной диффузии, была предпринята американским ученым Линдом в 197 5 г. в рамках советско-американского проекта *COK)3- АППОЛОН*. Эксперимент проводился при нормальной температуре кабины экипажа, без термоконтроля и при управлении клапанами вручную. Выращивались кристаллы тартрата кальция, углекислого кальция и сульфида свинца. По количеству сформировавшихся кристаллов и их морфологии результаты сравнимы с порученными на Земле и гелях. Полагают, что улучшение техники эксперимента позволит выращивать в космосе кристаллы более высокого качества. Втсрая серия космических эксперименте» была выполнена на борту ОЛ "Спейслэб- If с более точным соблюдением ус- 10
ловий, включая: контроль температуры в реакторе, функционирование клапанов без генерирования возмущений жидкости, отсутствие газовых пузырьков в жидкости. Полученные результаты показали, что эксперименты в условиях микрогравитации представляют собой по сути экстраполяцию методов выращивания с применением гелей: в космосе можно получать кристаллы гораздо более широкого спектра материалов, в более широком диапазоне условий эксперимента и сред роста, так как при этом снимаются ограничения, налагаемые спецификой использования гелей. Следующим этапом в И по выращиванию в космосе кристаллов слаборастворимых веществ явились эксперименты на борту американской ОП LDEF(английская аббревиатура наименования - Установка длительной экспозиции), которая была выведена на околоземную орбиту в 1984 г. Продолжительность экспериментов по материаловедению на этой ОП - около 2 мес, а плановая длительность ее полета около 10 мес. Однако снять ее с орбиты пока не удается (из-за катастрофы ОС <гЧелленджер*г). Планировалось возвратить в 1989 г. На базе известных результатов экспериментов в космосе к испытательной установке УВР сформулированы следующие концептуальные требования: контроль температуры с точностью 0,1 С; функционирование клапанов должно исключать какие-либо возмущения жидкости; в жидкости не должно быть пузырьков, чтобы исключить диффузную конвекцию Маранго- ни; необходима система компенсации давления, чтобы исключить возмущения, вызываемые различиями давления в камерах при функционировании клапанов; внутренняя поверхность центральйой камеры должна быть максимально гладкой, чтобы исключить образование на стенках паразитных ядер кристаллизации; реактор должен допускать заполнение его такими агрессивными в коррозионном отношении и токсичными жидкостями, как ацетон нитрил; требуемый уровень микрогравитации 10-4 g, УВР монтируется на вспомогательной панели экспериментов ОП "Еврека* и содержит оборудование для проведения 4-х экспериментов, В составе оборудования 3 однотипных контейнера для экспериментов по выращиванию кристаллов из растворов методом двойной диффузии, выполненных л: учетом указанных выше концептуальных требований. Комплект испытательного оборудования для четвертого эксперимента, 1-в И
размещаемый также в контейнере, предназначен для измерения коэффициентов Сорэ (Soret ) бинарных смесей. Проектируется и изготовляется исследователем. Все эксперименты будут проводиться параллельно. Чтобы обеспечить требуемый в каждом эксперименте температурный режим, каждый контейнер снабжен независимой системой температурного контроля. Распределительная коробка электропитания и электронная подсистема обработки и контроля (ЭПОК) - общие для всех 4-х экспериментов. Контейнеры для экспериментов по выращиванию кристаллов выполнены в виде цилиндров диаметр. 20 см и высотой 77,5 см. В контейнерах обеспечивается поддержание постоянной температуры с диапазоном регулировки 35-60QC и точностью* ± 0,1 °С на протяжении всего времени полета при температуре окружающей среды под тепловым тентом ОП в пределах 0-30°С. Перед запаиванием нэнтейнеры продуваются сухим азотом. Изнутри их алюминиевый корпус покрыт многослойной изоляцией (19 слоев плакированного золотом майлара). Каждый контейнер оборудован 5-ю резистентными нагревателями, которыми управляет ЭПОК. Три нагревателя размещаются в боковых стенках контейнеров и могут управляться по данным одного общего термистера. Два остальных соответственно в крышках и днищах управляются независимо с использованием автономных термистеров. Учитывая, тепловую инерционность, на уровне роста кристаллов в реакторах ожидают 5-кратного улучшения точности выдерживания условий изотермальности. Контейнеры монтируются на промежуточной монтажной плате вертикально - каждый на 6-стоечном титановом шасси, что обеспечивает их термоизоляцию. Монтажная плата в свою очередь размещается на вспомогательной панели экспериментов, где температура может варьироваться в пределах 0-30°С. В пассивные периоды полета температурным режимом в контейнерах управляет общая система терморегулирования ОП, причем задействуются все боковые нагреватели* Регулирование температуры при этом обеспечивается с точностью ± 1 ^С . Программы проведения экспериментов закладываются в память микропроцессора ЭПОК. Гибкое программное обеспечение, удовлетворяющее разнообразным требованиям исследователей включает 5 температурных режимов: режим нагрева - быстрый нагрев до заданной температуры; изотер мал ьный режим - поддержание заданной температуры; 12
режим подогрева - постепенный нагрев с заданной скоростью; режим охлаждения - постепенное охлаждение с заданной скоростью; осцилляторный режим - чередование подъемов и снижений между двумя заданными температурными уровнями. Программа температурного режима составляется заранее, однако величины параметров и последовательности режимов могут видоизменяться по командам с Земли, передаваемым через пакетную телеметрическую систему СП. Новые параметры могут записываться в общем ЗУ ОП или передаваться непосредственно в ЭПОК. Контейнеры УВР могут функционировать в градиентном температурном режиме. Такой режим используется в четвертом контейнере, где проводятся эксперименты по измерению коэффициентов Соре. Для управления перепадами температуры используют элементы Пептиера и промежуточную плату (для отвода тепла). Тепловой контакт между контейнером и промежуточной монтажной платой в этом случае требует точной настройки, чтобы получить нужную величину теплового сопротивления. Конструкция реакторов, в которых происходит выращивание кристаллов, такая же, как на американской ОП LDEF. Форма реакторов - цилиндрическая, размеры оптимизированы применительно к продолжительности эксперимента и скорости процесса. Рост кристалла идет до тех пор пока реак- танты диффундируют к буферной камере и поддерживается уровень перенасыщенности раствора, требуемый для кристаллизации. Проведена теоретическая оценка процесса диффузии реактантов для всей продолжительности полета ОП. Кроме того в двух реакторах предусмотрена возможность установки между примыкающими камерами и буферной камерой фильтров, что позволит управлять скоростью диффузии реактантов в направлении буферной камеры, чтобы уменьшить вероятность форк«фования множества ядер кристаллизации, получая при этом меньшее количество кристаллов, но более крупных размеров. Расчеты показывают, что при объеме примыкающих камер по 2 л (внешний диам. 12 см, длина 9 см) располагаемое время кристаллизации будет использоваться оптимально. Чтобы максимально снизить массу и предотвратить загрязнение растворов нонами материалов конструкции УВР, реакторы выполнены из алюминия с покрытием внутренних 13 1-7
поверхностей полимером марки халар ( Halar - фабричная марка полимера состава E=CTFE- этилен и хлортрифторэти- лен), обладающим высокой стойкостью к широкому ряду хи- микалиев при приемлемых механических свойствах, Халар менее порист, чем тефлон, что весьма важно при экспериментах большой продолжительности. Он легко наносится на металлы и полимеризуется при температуре 400 С > образуя гладкую поверхность, требуемую условием минимизации образования паразитных ядер кристаллизации на стенках буферной камеры. Между собой камеры соединяются двойными герметизирующими кольцами, в-контейнере реактор фиксируют 2-мя винтами. С буферной камерой каждая из примыкающих камер сообщается через 3 отверстия диам 20 мм, герметично закрытые круглыми стеклянными клапанами, которые прижимаются пружинными механизмами, находящимися вне реактора. Отверстие открывается поворотом клапана вокруг своей оси на 60°. Каждый клапан имеет автономный привод, состоящий из электромотора и редукторной коробки. Клапаны могут открываться и закрываться одновременно или раздельно по командам с Земли, куда по каналам обратной связи передаются данные об их текущем положении. Возникающие иэ-за термического расширения жидкости колебания давления (особенно значительные для ацетоннитрила) компенсируются специальной сильфонной системой, которая поддерживает в реакторе постоянное давление на уровне ниже 1,2 атм. Важное значение имеет предотвращение образования пузырьков при заполнении камер жидкостью, так как их наличие генерирует конвекцию Марангони и нарушает контролируемый диффузионный процесс. Для заполнения раствором в каждой из примыкающих камер предусмотрены заправочные клапаны. Заправка буферной камеры производится через любой из этих клапанов. Так как визуальный контроль за процессом заправки невозможен, разработано специальное устройство заправки, которое обеспечивает предотвращение контактов раствора с любыми материалами, кроме стекла и халара. Процедура заправки успешно выдержала испытания - обеспечивается полная гарантия отсутствия пузырьков и каких- либо загрязнений йа протяжении всего полета. В полете ежеминутно автоматически измеряются температура и давление во всех трех камерах реактора. Эти данные записываются и ежесуточно передаются на Землю. Типовой 14
порядок выполнения экспериментов на УВР следующий: 1) заправка реакторов - за 4мес до запуска ОП *Ев~ река"; 2) вывод СП на орбиту; 3) пассивный этап полета, на протяжении которого температура в двух контейнерах контролируется системой терморегулирования ОП; 4) операционный этап - управление контейнерами осуществляет ЭПОК; 5) пассивный этап полета (продолжительность 3 мес) с термоконтролем как в п. 3; 6) возвращение ОП "Еврека*: прекращение термоконтроля; 7) посадка; 8) передача реакторов исследователям* В первом полете ОП "Еврека" будут осуществлены два из трех отобранных ЕКА в 1985 г. экспериментов по выращиванию кристаллов, В первом реакторе датчанин д-р Нильсен будет вести эксперимент по выращиванию в ацетоннитриле при температуре 40° С органического комплекса, обладающего свойством одномерной сверхпроводимости и И их электрических свойств. Второй реактор д-р Нильсен совместное д-ром Линдом из США используют для выращивания в водном растворе при температуре 40°С кристаллов карбоната кальция, которые обладают специфическими оптическими свойствами, представляющими интерес для фундаментальных И по выращиванию кристаллов в биологической среде. Оба эти- эксперимента преследуют также цель лучшего понимания механизмов роста кристаллов в растворах и проверку соответствующих теоретических моделей. Отработку третьего из отобранных экспериментов ведут д-р Стокер из центра промышленных И Норвегии совместно с докторами наук Андерсеном и Лиллерудом из Университета г, Осло. Цель эксперимента - синтез цеолитовых кристаллов в условиях микрогравитации. Ряд цеолиговых кристаллов семейства оффетит-эрионит широко используются в качестве катализаторов крекинп-процессов в нефтехимической промышленности. Для детальных структурных И необходимы крупные одиночные красители,которые невозможно получить на Земле. Эти кристаллы предложено выращивать с применением технологии двойной диффузии при гемперату- 15
ре 90 С из растворов кремния и алюминия в гидрохлориде натрия и гидрохлориде калия соответственно. Проведение этого эксперимента в УВР осложняют три проблемы: 1) требуемая температура выходит за рамки рабочего диапазона УВР; 2) раствор имеет парциальное давление 11 и воздействует на стеклянные части реактора; 3) в случае контакта между раствором и корпусом реактора ожидают бурного выделения водорода, что представляет серьезную опасность. Ведется проектирование титанового реактора с покрытием из халара и И по расширению регулируемого температурного диапазона до 90 С. Эксперимент по определению коэффициента Сорэ в четвертом реакторе готовит бельгийский ученый д-р Легрос. Эффект Сорэ (или термомиграция) возникает, когда транспортирование массы вызывается термическим градиентом. Коэффициент Сорэ - отношение коэффициента термальной диффузии и коэффициента изотермальной диффузии. Он принимает положительное значение, когда в смеси компонент большей плотности мигрирует в направлении холодных областей. Показано, что конвекция, вызываемая гравитацией в земных условиях, не позволяет выполнить приемлемые количественные измерения коэффициента Сорэ. Испытательная установка для проведения этих измерений в условиях микрогравитации будет размешена в 4-м контейнере несколько меньших размеров, чем контейнеры с экспериментами по выращиванию кристаллов, и работает в градиентном температурном режиме. Одновременно процесс идет в 20 трубах диам* 1 см и длиной 8 см, заполненных бинарной смесью. Поддержание температурного градиента 10 С между концами труб в течение операционного периода обеспечивается элементами Пелтиера. Для непрерывного измерения температуры каждая труба снабжена термистером. Одна из труб заполняется водным раствором азотнокислого серебра и оборудуется двумя электродаъм> которые обеспечивают отслеживание градиента концентрации в растворе на операционном этапе. По завершении эксперимента в каждом конце всех 20 труб будет изолирована проба объемом 1,5 мл*, состав которой подвергнется анализу после возвращения на землю. Программа уМефисто* (Mephisto )а выполняемая во Франции, имеет целью создание испытательной установки и методик проведения научных И процессов кристаллизации в 16
условиях микрогравитации. Предполагается достижение следующих основных целей: - экспериментальная проверка современных теорий морфологической стабильности в условиях максимально приближенных к гипотетическим, принятым в этих теориях. При моделировании процессов часто принимается, что конвекция пренебрежимо мала. Такие условия можно создать в строго ограниченном объеме жидкости в космосе. - и воздействия на очертания фронтов раздела фаз в процессе отверждения как нестабильности нагрева и массо- передачи (колебания гравитации), так и конвективных движений (сравнение с наземными экспериментами). Достижение этих целей ставит два важных требования : 1) оптимизация управляемых условий отверждения: темп подачи, градиент во фронте взаимодействия жидкой и твердой фаз, четкое количественное определение очертаний фронта взаимодействия фаз; 2) измерение в ходе процесса максимально возможного числа параметров роста кристалла. В статье группы французских ученых из Лаборатории И отверждения И фирмы Aerospatiale- Aquitaine, опубликованной В английском журнале flAdvance Space Research11 (1988, £3, N< 12, 49-59),дается обзор трудов по фундаментальным И процессов получения материалов для электроники путем отверждения расплавов, опубликованных в период 1958- 1988 гг. (15 источников). Приводится принципиальная схема макета испытательного устройства 'Мефисто*, удовлетворяющего указанным выше целям и требованиям. Описывается теория и принципиальная схема измерений в ходе процесса отверждения температуры в плоском фронте раздела фаз, базирующиеся на эффекте Сибека ( Seebeck )f где фронт отверждения используется как термопара, состоящая из твердого и жидкого компонентов. Измеряемое на концах образца испытуемого материала электрическое напряжение связано линейной зависимостью с общим движением интерфейса переохлаждения на всех стадиях роста кристалла. Этот метод позволяет вести измерения в ходе процесса, не вызывая возмущающих эффектов, так как через образец не проходит электрический ток. Проведены И на образце сплава SnBic б%—ной концентрацией Bi, Измерения в этом сплаве возможны в широком диапазоне температур и концентраций. Однако у метода существуют два ограниче- НИЯ. •« t-j
1. У металлов и сплавов обычно небольшие перепады напряжения на градус температуры между жидкой и твердой фазами. Это требует множества предосторожностей в электронных измерительных цепях, а также термоструктуре приборов. 2. Метод дает интегральные значения по всей площади раздела жидкой и твердой фаз, ввиду чего получаемые в экспериментах значения температур критичны к измерениям в дестабилизированных фронтах раздела фаз. Измерение скорости перемещения фронта раздела жидкой и твердой фаз в установке 'Мефисто* осуществляется по изменению электрического сопротивления, вызываемого изменением соотношения жидкой и твердой фракций в процессе плавления и отверждения. Установка позволяет также получать данные о мгновенных конфигурациях фронта отверждения, полях распределения температур по образцу, изменять рабочие температуры в двух печах установки (подвижной и неподвижной) или скорость подачи образца, изменять ход эксперимента в соответствии с программой или по командам. Эксперименты в условиях микрогравитации на установке *Мефисто" позволят: - изучать и обнаруживать в ходе процесса отверждения морфологические нестабильности без проведения металлографического анализа и проверять экспериментально современные теории, базирующиеся на предположении чисто диффузионного переноса; - исследовать влияние вида переноса масс на разделение фаз, так как переохлаждение здесь непосредственно связано с концентрацией компонентов в зоне взаимодействия жидкой и твердой фаз; - сравнивая результаты экспериментов на Земле и в космосе, углубить понимание воздействия конвекционных перемещений на процессы роста кристаллов и отверждения материале», что особенно важно для электроники, где в производстве материалов требуется все большая однородность в высокие специфические свойства. Программа FMPT японского космического агентства НАС ДА Разрабатываемая в Японии программа FMPT(аббревиатура английского наименования - Первая серия испытаний по обработке материалов) представляет существенную часть 18
местного с НАСА США проекта 7-суточного орбитального полета ОЛ "Спейслэб-Л." (японский вариант комплектации ОЛ) на борту ОС МВКА "Спейс Шаттл*". Первоначально полет ОЛ в этом варианте комплектации планировался на 1-й квартал 1988 г., но после катастрофы МВКД с ОС "Челленджер* перенесен на 1991 г, В процессе подготовки программы дважды - в 1979 и 1984 гг. проводился отбор экспериментов, предлагаемых учеными для включения в состав FMPT. Кконцу 1986 г. все испытательное оборудование отобранных экспериментов бвдю спроектировано и изготовлено. В последующем серьезных изменений не вносили, так как это потребовало бы дорогостоящего общего пересмотра спецификаций комплекса ОЛ и его интеграции с системами носителя (температурные режимы, потребляемая электрическая мощность, габариты и масса экспериментальных установок), ОС с ОЛ в грузовом отсеке планируется вывести на круговую орбиту высотой 300 км и наетонением 57 . Продолжительность полета 7 сут., экипаж 7 чел. (1 японец). Общее число экспериментов на ОЛ - 34, из которых 22 по материаловедению, а остальные из области наук о жизни. В число исйытуемых материалов входят: - Полупроводники Pb-Sn-Te, Si-Al-Te, In-Ga-As, In-Sb, Si; - металлические материалы Al-Pb-Bi, никелевый сплав, углерод-алюминиевые композиты, V-Ni, Al-Cu, Al-In, железо, AbAg, Au-Al, Ag; - неорганические материалы из силикатного и ИК-пере- дающего стекла; - органические кристаллы. В бортовой комплекс испытательного оборудования для экспериментов по материаловедению входят: - 2-камерная печь непрерывного нагрева с параметрами: диапазон рабочих температур 700-1300°С, потребляемая мощность 1140 Вт, размеры испытуемого образца (здесь и далее - диам. х длина в мм) 13 х 53,5, габариты печи (здесь и далее - ширина х высота х длина в мм) 440 *62О* х 610, масса печи 90 кг (в печи выполняется 6 экспериментов) ; - большая изотермическая печь: рабочая температура 1600°С, потребляемая мощность 975 Вт, размеры образца 26 х 168, габариты печи 440x240 х400, масса 33 кг (3 эксперимента); 19
- 2 печи градиентного нагрева: рабочие температуры - высокая 12ОО°С, низкая 600°С, потребляемая мощность 1080 Вт, размеры образца 24хЦ0, габариты печи 440 х 360 х 630, масса 65,5 кг (3 эксперимента); - зеркальная печь: макс, рабочая температура 1400 С, потребляемая мощность 970 Вт, размеры образца 20 х 50, габариты печи 440x960 x^640, масса 123 кг (4 эксперимента); - печь акустической левитации: рабочая температура 1400 С, потребляемая мощность 1540 Вт, образец - сфера диам. 10 мм, габариты печи 440x530x610, масса 45,5 кг (1 эксперимент - по взаимной диффузии металлических пар Au-Ag и Аи-А1); - установка выращивания кристалла: рабочая температура 1450°С, потребляемая мощность 500 Вт, образец - сфера диам. 20 мм или прут 10 х150, габариты установки 440 х400 хб40, масса 62 кг (1 эксперимент по выращиванию сферического кристалла кремния); - установка жидко-капельного эксперимента: потребляемая мощность 310 Вт {при максикуме акустического поля), габариты установки 440 х 365 х400, масса 28 кг, частота акустического поля 500-5000 Гц (1 эксперимент по динамике капель); - установка пузырькового эксперимента: потребляемая мощность 310 Вт, размеры образца 50 х 50 (внутреняя полость заполняемой камеры), акустическая частота 10-2 5 кГц (1 эксперимент по движению пузырьков); - установка по И конвекции Марангони: макс* рабочая температура 50 С, потребляемая мощность 380 Вт, размеры образца 25x2 5, габариты установки 440 х 220 х64, масса 2 5 кг (1 эксперимент по диффузной конвекции); - газовая испарительная установка: рабочая температура испаряемой нити 1000 С, макс, потребляемая мощность 40 Вт» диаметр испарительной колбы 85 мм, габариты установки 130x350 х220, масса 5 кг (1 эксперимент с частицами сверхчистого серебра); - установка для вырашивания органических кристаллов: рабочая температура комнатная, габариты установки 44O х х 2 66 х 360, масса 9 кг (1 эксперимент). Предложения по экспериментам в области материаловедения исходят от университетов (8), национальных исследовательских институтов (10) в других организаций - прей- 20
кущественно промышленных лабораторий (4). В опубликованной журналом "Adv.Space Res." статье японского ученого Нишинада из Токийского университета ^Японская программа FMPTh относящиеся к ней наземные эксперименты - ма- териаловедческие аспекты', обобщающей серию ранее опубликованных работ по этой тематике (6 источников), приводится краткая характеристика нескольких базовых экспериментов, включенных в первую серию испытаний на ОЛ. Особый акцент делается на эксперименты с материалами для электроники и на нечасто встречающихся экспериментах в условиях микрогравитации, чтобы дать ученым возможность предварительно обсудить возможные результаты их выполнения на ОЛ. Выращивание одиночного кристалла. Группа ученых под руководством Мурая запланировала эксперимент по выращиванию в печи градиентного нагрева одиночного кристалла из сплава InGaAs. Полагают, что перед растущим кристаллом в условиях микрогравитации в жидком расплаве должен формироваться пограничный слой диффузии, что позволит получить кристалл с однородной композицией сплава. При нормальной гравитации тепловая конвекция разрушает пограничный слой, вызывая сильное перемешивание жидкого расплава» В результате происходит постепенное изменение композиции в направлении роста кристалла. Аналогичный эксперимент в такой же печи планирует провести другая группа - под руководством Ямада со сплавом PbSnTe. Эксперимент по выращиванию сферических кристаллов кремния проводился ранее на ОЛ 'Спейслэб-1 и - D-1* в зеркальной печи Кёлькер Н. из ФР1\ Доклад опубликован в трудах 5-го Европейского симпозиума. В печи расплавлялся конец кремниевого прута, а затем расплав сферической формы отверждался. Затравочным кристаллом служил кремниевый прут. Экспериментатор наблюдал сильную бороздчатую неоднородность внутри сферы формирующегося кристалла, которую он объясняет создающимся в расплаве потоке Марангоши Авторы планируемого японского эксперимента намерены выращивать одиночный сферический кремниевый кристалл двумя методами. Ойин метод аналогичен описанному за исключением печи, в которой применяется резистентный нагрев, позволяющий обеспечить большую температурную однородность. 21
Второй метод достаточно уникален и, насколько известно его авторам, ранее при выращивании кристаллов не применялся, В качестве исходного материала берется одиночный сферический кристалл, к которому тепло подводится извне. Плавление начинается с периферии сферы и интерфейс твердо-жидкостной фаз движется в направлении центра сферы. Затем температуру с поверхности сферы начинают понижать, в результате чего расплав постепенно отверждается и кристалл растет вокруг оставшегося нерасплавленным ядра. Здесь нужна особая точность. Бели нагрев продолжать слишком долго, можно утратить ядро, а если прекратить плавление преждевременно, не получится большой объем вторичного роста. Чтобы определить нужные временные параметры, проведено компьютерное моделирование взаимодействия между твердой и жидкой фазами • Результаты представлены в виде графика положения пограничного слоя (радиуса твердого ядра) в функции времени. Зная точно время плавления, можно определить момент начала повторного отверждения. Компьютерная модель создана также для процесса выращивания сферического кристалла вокруг затравочного. Подбором температуры в печи и теплового потока, идущего через прут, можно определить изменения контура слоя твердо-жидкого взаимодействия в процессе роста кристалла. Микрогравитация представляет идеальные условия отсутствия не только тепловой конвекции, но также конвекции Марангони, когда распределение температуры полностью однородно. Компьютерное моделирование для такого идеального случая настолько упрощается, что становится возможным почти полное компьютерное моделирование экспериментов, которое для реальной системы в условиях нормальной гравитации практически неосуществимо из-за чрезвычайной ее сложности. Полное моделирование эксперимента позволяет выяснить, до каких пределов справедливы положения теории применительно к данному эксперименту и объяснить расхождения между экспериментом и моделью, а также дает важ^- ную информацию для понимания механизма роста кристалла. Газовое испарение. В различных областях современного производства используются мелкодисперсные металлические порошки и для практики очень важно, чтобы частицы в порошке были одинаковых размеров. Из использовавшихся до сих пор технологий одна из наиболее перспективных - га- 22
зовое испарение, заключающееся в испарении материала в среде инертного газа при низком давлении» При нормальной гравитации создающиеся в процессе испарения конвекционные потоки инертного газа существенно осложняют управление ростом мелких частиц. Японский ученый Вада предложил проводить газовое испарение металла в условиях микрогравитации. Его эксперименты будут проводиться в запаянном баллоне, подобном баллону электрической лампочки, заполненном гелием низкого давления. Внутрь баллона помещается лента накаливания, покрытая испаряемым металлом (серебром). Процесс испарения записывается при помощи видеокамеры, Вада проведены предварительные испытания на Земле - в 1О-метровой вертикальной трубе свободного падения и в полете самолета по параболической траектории. Аморфные полупроводники. Из двух известных методов получения аморфных полупроводников один- получение тонких аморфных пленок осаждением из плазмы - широко применяется в электронной промышленности (например, при производстве СБ). Второй метод - получение объемных слитков аморфного материала быстрым охлаждением расплава также располагает большим потенциалом. Однако в условиях нормальной гравитации большие различия в плотности составляющих элементов компаунда не позволяют получать равномерные композиции при отверждении расплавов из-за сил плавучести, создающих неоднородности. Японский ученый Хамакава предпринимал попытки получить однородную аморфную композицию компаунда Si-As-Te/Ni, используя микрогравитацию. После расплавления этого компаунда в условиях микрогравиташш, создававшихся в экспериментах на японский ИР типа ТТ-5ОО А, проводилось быстрое охлаждение расплава. По предварительным результатам, удалось получать однородные композиции. Базируясь на данных этих экспериментов, в программу FMPT включен эксперимент по получению аморфного полупроводника состава Si-As-Te быстрым охлаждением в печи непрерывного нагрева. Эксперименты с полупроводниками РЬ-Sn и In-Sb в установке с нагревом в зеркальной печи, имеют целью изучение процессов получения однородных композиций в зоне флотации. На Земле гравитация не позволяет сформировать зону флотации приемлемых размеров, особенно для компаундов с тяжелыми металлами. Группа под руководством Сега- 23
ва ставит эксперимент по изучению процесса получения однородного распределения в композиции Pb-Sn при выращивании кристалла в зоне флотации. Группа под руководством Накатами ставит эксперимент по И поведения в зоне флотации жидкой композиции In-Sb, особенно временных: зависимостей между размерами зоны и ее стабильностью. Выращивание органического кристалла в специальной установке, предложенной группой под руководством Анзая, имеет целью И процессов, происходящих в процессе роста органометаллического кристалла, с записью их при помощи видеокамеры и обычной кинокамеры. Некоторые из органических кристаллов обладают чрезвычайно высокой электропроводностью, а часть из них при низких температурах даже становятся сверхпроводниками. Оцнако известно,что на их электронные свойства сильно влияет качество кристалла. Так как в композиции этих компаундов входят очень крупные молекулы, для выращивания одиночного кристалла нужна такая же спокойная атмосфера, как например, при выращивании кристаллов протеина* Выращивание энзимов в том же полете О/Г планируется осуществить примерно в таких же рабочих ячейках другой установки, именуемой Комплект для кристаллизации энзимов (направление наук о жизни)* Оценка состояния И микрогравитации в Японии. Ученые Японии не удовлетворены скромным, по их оценкам, вкладом страны в эту область космических наук, особенно от- строчкой на несколько лет программы FMPT* Все возможные на Земле работы по подготовке этой программы выполнены. При этом использовались наземные испытательные установки и особенно активно самолет типа Ми -2, который способен обеспечить 2О-секундный период микрогравитаций. В полетах на этом самолете опробованы эксперименты по газовому испарению металлов, динамике жидкости, акустической левитации с образцами материалов из стекла. Стремясь увеличить вклад в И, связанные с микрогравитацией, японские ученые учредили деа научных общества - JASMA (аббревиатура английского наименования - Японское общество приложений микрогравитации) в 1983 г. и JSBSS (аббревиатура английского наименования - Японс- 24
кое общество биологических наук в космосе) в 1988 г. Эти общества ставят цепью ускорить И по микрогравитации в областях материаловедения и наук о жизни в Японии. MSpaceflight'\ 1988, 30, № 4, 147; 170-173; 1989, 31, П 8, 257-259. Journal of Spacecraft and Rockets*', 1988, 25, № 2t 146-155. " Advanced Space Research", 1988, 8, ]* 12, 49-59; 77-85; ПЗ-Ш. "Aviation Week and Space Technology", 1989, " Правда n, 1989, № 303, 6.
СОДЕРЖАНИЕ Программы ЕКА и стран-участниц 5 Программа FMPT. японского коскюческого агентства НАСДА . • . 18 Технический редактор Г.С. Бычкова Корректор В.Т.Коргуева Сдано в набор 13.02*90 Подписано в печать 09.02.90 Формат 60 х 90 1/16 Бум, офсетная Печать офсетная Усл«печ.л. 1,75 Усллф.-отт. if 75 Уч»назд.л. 1,37 Тир. 430 экз. Зак. ЗОД Адрес редакции: 1252 19,Москва, А-219, ул. Усиевича, 20А Теп. 152-54-94 Пройзводственно-издательский комбинат ВИНИТИ 140010, Люберцы 10, Московской обл., Октябрьский проспект, 403
ОПЕЧАТКА к Приложению ЗККС № 3, 1990 Огр. 6 Строка 7 сверху Напечатано Телевизионная смесь... Следует читать Телевизионная съемка ... Зак. ЗОД