Рождение трансформеров: в МАИ создают композиты и технологии для космических миссий

Исследование и освоение околоземного космического пространства, Луны, астероидов, далёких планет, труднодоступных территорий на Земле с экстремальными условиями пребывания ставят перед человеком множество задач. Например, как в таких условиях организовать пространство для более или менее комфортной жизни? За ним следует другой вопрос — как «довезти» до орбиты или в труднодоступный район, где объём и масса доставляемых грузов строго ограничены, конструкций для создания жилого пространства.

Решение этого вопроса — за созданием быстро сооружаемых трансформируемых конструкций. В собранном виде они способны к компактной укладке и беспрепятственной доставке к месту назначения, затем автоматическому развёртыванию и фиксации на месте. Кроме того, такая конструкция может поддерживать заданную форму и размер, которые обеспечат человеку не только комфортную жизнь внутри созданного пространства, но и защиту от воздействия факторов окружающей среды.

По мнению ряда экспертов, за подобными конструкторско-технологическими решениями будущее: они обеспечат лучшее соотношение объёма к весу, чем стандартные жёсткие металлические конструкции. Такие решения рассматриваются как одни из основных при организации будущих межпланетных полётов и создании быстро возводимых сооружений на начальных этапах строительства станций и поселений на Луне и Марсе. В России они могут быть также использованы при освоении полярных и других труднодоступных территорий.

Материал-трансформер

Наиболее перспективное с этой точки зрение решение — создание сверхлёгких трансформируемых наддувом или механическим разворачиванием многослойных оболочковых конструкций. Они сделаны из полимерных плёночных, тканых и композиционных материалов, конструктивные облики, материалы и технологии изготовления которых активно прорабатываются по заданиям космических агентств США, Евросоюза, Китая, Японии, в том числе частными фирмами. Особую активность проявляет американская компания «Bigelow Aerospace». Несколько экспериментальных образцов испытаны с выводом на околоземные орбиты.

В нашей стране материалы и технологии для изготовления трансформируемых модулей разрабатываются на кафедре «Технологии композиционных материалов, конструкций и микросистем» Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Направление этих исследований соответствует профилю подготовки бакалавров, магистров и аспирантов «Перспективные полимерные композиционные материалы, конструкции и технологии». Это способствует активному привлечению обучающихся к исследовательской работе. Кафедра ведёт эти работы уже несколько лет совместно с РКК «Энергия». По собственной инициативе кафедра с участием студентов и аспирантов разрабатывает методы контроля, исследует структуру, технологические и эксплуатационные свойства материалов, в том числе в научных и учебно-исследовательских кратковременных и длительных космических экспериментах.

Материаловедческо-технологическое и испытательное оборудование в лабораториях кафедры позволяют осуществлять синтез связующих, получить и исследовать структуру и свойства. За коллективом кафедры закреплена постановка экспериментов, связанных с созданием материалов и конструкций; изготовление и испытание элементов конструкций остаётся за заказчиком работ — РКК «Энергия».

Отличительная особенность разрабатываемой в МАИ технологии создания сверхлёгких трансформируемых оболочковых конструкций — комплексное использование уникальных полимерных композиционных материалов (ПКМ). Таких как эластичный в исходном состоянии и ужесточаемый по команде тонкослойный материал и конструкционный материал с термостимулируемым эффектом памяти формы (ЭПФ) в сочетании с микродатчиками, информирующими о поведении материалов на всех стадиях их обработки и эксплуатации.

Руководят работами заведующий кафедрой «Технологии композиционных материалов, конструкций и микросистем» Пётра Бабаевский и профессор кафедры Николай Козлов. По их словам, ужесточаемая оболочка и жёсткий трубчатый каркас с разворачивающими шарнирами из полимерных композиционных материалов с эффектом памяти формы существенно снизят энергозатраты, требуемые для создания внутреннего давления за счёт постоянной подкачки газа при разворачивании и поддержании формы неужесточаемой надувной оболочки в высоком вакууме. Кроме того, они резко повысят устойчивость конструкции к внешним воздействиям.

— В первую очередь мы работаем над самоужесточаемыми материалами на основе высокопрочных тканей и полимеробразующих пропитывающих композиций, — отмечает в беседе с mai.ru Пётр Гордеевич. — В исходном состоянии эти материалы эластичные, как прорезиненная ткань. Из них легко выполнять заготовки или элементы многослойной оболочки. Они способны компактно укладываться в сочетании с другими слоями, а после доставки на место и разворачивания становиться жёсткими и фиксировать форму конструкции. Это может происходить в результате химических или физических превращений пропитывающей композиции под действием факторов космического пространства — вакуума, солнечного излучения и тому подобного, либо за счёт внутреннего нагрева.

Слова коллеги поддерживает Николай Алексеевич Козлов. Он рассказывает о дальнейшем процессе.

— После разворачивания форма модуля фиксируется ужесточением материала за счёт отверждения пропитывающей композиции, — отмечает он. — То есть происходит её переход из эластичного, каучукоподобного состояния в жёсткое отверждённое, с превращением эластичной ткани в конструкционный тонкослойный армированный тканью композит. Оболочка из такого материала после разворачивания держит форму без дополнительных энергетических затрат. Из такого материала можно изготавливать также трансформируемый трубчатый каркас для разворачивания и поддержания формы оболочки.

Разворот в пространстве

Опыт в практической реализации такого каркаса у кафедры уже есть. Несколько лет назад совместно с коллегами из «НПО Лавочкина» была разработана и опробована заводская технология изготовления сверхлёгкого раздуваемого и ужесточаемого каркаса с запуском на околоземную орбиту в рамках программы совместных российско-французских экспериментов «Солнечный парус».

— Идея программы состояла в создании лёгкого разворачиваемого паруса, который в космическом пространстве двигался бы под действием солнечного ветра, — отмечает Пётр Гордеевич. Однако реализация программы не пошла дальше начальных экспериментов.

По словам руководителей работ, помимо разработки тканых композитов, ужесточаемых под действием различных факторов, коллектив кафедры проводит работы по созданию соединительных элементов (шарниров) несущих трубчатых каркасов с высокой удельной жёсткостью и прочностью для трансформируемых космических конструкций. В том числе надувных многослойных замкнутых оболочек, а также открытых систем — разворачиваемых солнечных батарей, концентраторов солнечной энергии, радаров — с использованием слоистых полимерных композиционных материалов с эффектом памяти формы. В частности, углепластиков. Такие материалы обладают способностью обратимо изменять и восстанавливать исходную форму при нагревании до определённой температуры и фиксировать её при охлаждении ниже этой температуры.

Шарниры из полимерных композиционных материалов с эффектом памяти формы выполняют актюаторную, т. е. исполнительную, функцию на стадиях складывания и разворачивания конструкции и обеспечивают её несущую способность после фиксирования формы. Замена шарнирными актюаторами пружинных систем, используемых до настоящего времени при механическом разворачивании крупногабаритных космических конструкций, должна резко повысить надёжность и стабильность разворачивания и фиксирования их формы.

Учёными и студентами кафедры разработаны также жёсткие поропласты, обладающие термостимулируемым эффектом памяти формы, — способностью восстанавливать при нагревании и фиксировать при охлаждении исходную форму после объёмного сжатия до 10 раз. Такие материалы предназначены в качестве заполнителей трёхслойных (сэндвичевых) структур с плоскими обшивками из слоистых полимерных композиционных материалов, также обладающих термостимулируемым эффектом памяти формы. Это открывает совершенно новые возможности в создании трансформируемых конструкций. Проявление эффектов памяти формы в поропластах и сэндвичевых структурах, созданных нашими учёными, в условиях микрогравитации было продемонстрировано в научно-образовательных экспериментах, проведённых на борту российского сегмента МКС в 2009 и 2012 годах.

Кафедра совместно с другой кафедрой МАИ — «Технологии приборов и систем управления летательных аппаратов» — реализует подготовку специалистов по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника» и проводит исследовательские работы по разработке и использованию микроэлектромеханических систем (МЭМС) в качестве встраиваемых датчиков и «умных», в первую очередь, электроактивных материалов в качестве встраиваемых актюаторов.

По словам Петра Гордеевича, сочетание этих работ с созданием самоужесточаемых материалов и конструкций из полимерных композиционных материалов с эффектом памяти формы позволяют придавать им дополнительную «интеллектуальность» — способность передавать информацию о «самочувствии» материала и конструкции, способность к «самозалечиванию» и т.п.

По словам руководителей работ, материалы и технологии самоужесточаемых и саморазворачиваемых конструкций с элементами интеллектуальности могут быть использованы не только в области космической, но и авиационной технике. В первую очередь, беспилотных летательных аппаратов.

— Разработанные принципы, материалы и технологии перспективны для создания любых трансформируемых аппаратов, — отмечает Пётр Гордеевич. — К сожалению, найти финансирование для таких разработок применительно к авиастроению пока не удаётся. В настоящее время некоторый интерес со стороны заказчиков проявляется только к разработкам материалов, конструкций и технологий для космических миссий.

Так, известно, что РКК «Энергия» и МАИ поручается создание к 2023 году российского надувного отсека-трансформера. Проект планируется выполнить в три этапа, начиная с этого года. В рамках первого этапа должен быть изготовлен и доставлен на МКС фрагмент многослойной трансформируемой гермооболочки с ужесточаемым слоем для испытания в условиях ближнего космоса.