Прозрачная броня

Стратегия развития космической деятельности России на период до 2030 года и на дальнейшую перспективу предусматривает продолжение эксплуатации Международной космической станции, создание нового космического корабля «Федерация» для проведения околоземных исследований и отработки полетов к Луне, расширение группировки космических аппаратов со сроком службы не менее 15 лет. Свой вклад в российскую космическую программу вносит Институт физики прочности и материаловедения СО РАН.

Одной из важных задач, стоящих перед космонавтикой, является разработка новых материалов и технологий их получения, в том числе нанесения покрытий. Например, предназначенных для защиты элементов космического аппарата от разрушительного воздействия высокоскоростных микрометеороидов и частиц космического мусора. Дело в том, что используемые защитные экраны непрозрачны и не могут служить защитой для оптических элементов – иллюминаторов, солнечных батарей, оптических приборов и т.д. Ударяясь об их стекла, микрочастицы, скорость которых может достигать нескольких километров в секунду, разрушают поверхностный слой, образуют «кратеры», окруженные трещинами длиной до нескольких миллиметров. Это не только значительно снижает прочность стекол, за несколько лет эксплуатации портятся и их оптические характеристики.

– Иллюминаторы ведь не только для того, чтобы космонавты смотрели на Землю, – объясняет Виктор СЕРГЕЕВ, зав. лабораторией материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ СО РАН. – Они в основном служат для наблюдений и съемок с помощью оптических приборов. Если посмотреть на стекло иллюминатора, прослужившее десять лет на орбите, то оно почти матовое, уже непригодное для оптических измерений.

Решения этой проблемы в мире не существовало, пока за дело не взялись томские материаловеды. По заданию руководства Ракетно-космической корпорации «Энергия» в течение последних нескольких лет в ИФПМ СО РАН совместно с учеными из ТПУ, ТГУ и РКК «Энергия» были разработаны противометеороидные покрытия для стекол иллюминаторов космических аппаратов.

Это уникальные нанокомпозитные прецизионные покрытия сложного состава. На стекле формируется многослойная прозрачная для видимого света система, которая прочно сцепляется с поверхностью и максимально рассеивает энергию удара налетающей с огромной скоростью твердой частицы. Такое покрытие не только существенно гасит энергию удара, но и значительно уменьшает количество образующихся кратеров на поверхности иллюминатора, что продлевает срок его службы. На сегодняшний день стекла с этими защитными покрытиями успешно прошли полный цикл наземный испытаний и готовятся к летным испытаниям на перспективном космическом корабле «Федерация».

– Но эрозия – это полбеды! – продолжает Виктор Петрович. – Космических технологий ремонта поврежденных стекол сегодня не существует, а на Землю МКС не спустишь… Значит, нужно разработать технологию ремонта стекол космонавтами с внешней стороны МКС, прямо в космосе.

Для таких случаев, пока в лабораторных условиях, разрабатывается технология плазменной обработки поврежденных стекол, с помощью которой нейтрализуется распространение трещин в стекле и полностью восстанавливается предел его прочности. Одновременно ведутся работы по созданию устройства для применения этой технологии ремонта в открытом космосе. Ставится задача максимально уменьшить габариты и вес ремонтного инструмента и снабдить его автономным источником питания. Испытание новой технологии и ремонтного оборудования включено в план космической деятельности на МКС и будет осуществлено в ближайшие годы как космический эксперимент «Пересвет». Эта разработка института и РКК «Энергия» позволит безопасно осуществлять космическую деятельность не только на МКС, но и на лунных станциях, и при дальних полетах на другие планеты.

Конечно, как подчеркивают в институте, задачи подобного уровня в одиночку не решат ни физики, ни инженеры, ни механики, ни материаловеды. Справиться с ними можно только большим коллективом, располагая фундаментальными междисциплинарными знаниями и богатым опытом в разработке новых технологий. Над космической тематикой в ИФПМ СО РАН сегодня трудится большой творческий коллектив из нескольких лабораторий; важные и перспективные направления разрабатываются совместно с университетами и флагманами отечественной космонавтики, такими как РКК «Энергия», ЦНИИМаш, ГКНЦ им. М.В.Хруничева, Исследовательский центр им. М.В. Келдыша.