2774.Вакуумные технологии
..pdfношением ее площади и объема способствует получению экстремально высокого вакуума.
Космические условия, характеризующиеся наличием таких факторов, как микрогравитация, высокий вакуум, обилие энергии (до 1,4 кВт/м2), используются главным образом для процессов изготовления материалов в космическом пространстве. При изготовлении материалов в космосе отсутствуют такие явления, как выпадение осадка, тепловая конвекция, гидростатическое давление, не требуется применения тиглей для плавки материала, можно использовать практически неограниченный вакуум. Так, отсутствие явления конвекции способствует улучшению характеристик сепарации при электрофорезной кристаллизации
иросту кристаллов при наличии дисперсии в производстве медикаментов, аморфных солнечных элементов, а бесконтактная плавка без тигля обеспечивает получение высокочистых оптических стекол и шарикоподшипников.
Основные направления развития космического производства материалов:
1.Получение полупроводниковых материалов для электро-
ники. В условиях космоса обеспечивается возможность получения и изготовления особо чистых материалов в печах многоцелевого назначения, методами молекулярно-лучевой эпитаксии
ихимического осаждения из паровой фазы. Например, сплав палладия с кремнием, полученный в космических условиях, используется в качестве узлов электронных блоков.
2.Биотехнологии и получение медико-биологических препа-
ратов. В этом направлении создаются установки для выращивания белковых кристаллов. Это связано с тем, что для искусственного синтеза в земных условиях некоторых лекарственных препаратов, например, ферментов и гормонов, необходимо провести исследования их структуры, но на Земле, из-за воздействия гравитации не всегда возможно вырастить кристалл белка, размер которого позволял бы провести рентгеноструктурный анализ. Под действием гравитации кристалл белка либо деформируется, либо в нем возникают структурные несовершенства.
211
Перспективным направлением космического биопроизводства также является электрофорез, обеспечивающий исследования генетической изменчивости, разделение биологических смесей субклеточных частиц белков различного вида, нуклеиновых кислот для диагностики определенных форм онкологических заболеваний, получение биологически активных лекарственных средств, получение компонентов крови для изучения и т.п.
Установки для космического электрофореза не требуют больших энергетических затрат. Энергоснабжение должно обеспечиваться специальным устройством с точной регулировкой напряжения и силы тока. Установка оснащается холодильной камерой для хранения исходного материала до разделения и полученного после разделения.
Конструкции установки и методы электрофореза могут быть различными, но во всех случаях должны быть предусмотрены: подача раствора и биоматериала в рабочую часть, выделение и хранение получаемых веществ, термостатирование, отвод выделяющихся газов и возможность автоматического или полуавтоматическогоуправления процессом.
Перспективным, наряду с электрофоретическим разделением препаратов из смесей, является создание установок для выращивания протеинов непосредственно на борту КЛА. Одним из важных достижений космической фармакологии явилось получение антивирусной вакцины гемоглютинина, очищенного до уровня в несколько десятков раз выше, чем вакцина после очистки на Земле. Однако космическому биопроизводству должен предшествовать синтез заготовительного сырья из исходных материалов на Земле. Это может быть как исходное соединение, так и смесь компонентов в необходимом соотношении.
3. Получение оптических материалов в космосе. Немало-
важное значение в настоящее время имеет создание стекол для быстро прогрессирующих систем связи с использованием волоконной оптики, интегральной оптики для ЭВМ и твердотельных лазеров. Применение космических технологий способствует по-
212
вышению качества стекол. Так, подавление процессов тепловой конвекции заметно снижает вероятность спонтанного образования зародышей кристаллизации в процессе производства стекла.
4.Космическая металлургия, получение сплавов металлов
иматериалов с особыми свойствами. В условиях космоса обес-
печивается возможность изготовления твердых эвтектик с пластинчатым или волокнистым видом структуры методом направленной кристаллизации для применения в оптике, приборостроении
идругих областях промышленности. Процесс кристаллизации осуществляется путем выплавки материала в печах многоцелевого назначения посредством индукционного или электроннолучевого нагрева. Таким образом были получены твердые эвтектики NaCl-NaF, армированные непрерывными волокнами NaF, равномерно и ориентированно расположенными в свободной от дефектов матрице. Такие эвтектики с довольно высоким коэффициентом пропускания в широкой области спектра могут использоваться в устройствах для передачи изображения. Ряд полученных высокотемпературных эвтектик применяется в современных авиадвигателях. Высококоэрцитивные ферромагнитные сплавы с эвтектической структурой, полученные в космических условиях, обладают более высокой коэрцитивной силой по сравнению с наземными аналогами. Так, ферромагнитный сплав марганца с висмутом имеет величину коэрцитивной силы примерно на 60 % выше, чем выплавленный в наземных условиях.
5.Электронно-лучевая сварка в космосе. Космическая элек-
тронно-лучевая сварка нержавеющей стали, сплавов титана и алюминия является одним из наиболее перспективных процессов. С этой целью еще в СССР была разработана космическая сварочная установка «Вулкан», которая обеспечивала качественную сварку стыковых и замковых соединений как с отбортовкой кромок, так и без нее.
6.Оборудование для проведения научных исследований.
Большой научный и практический интерес представляет использование космического вакуума для исследования физических
213
свойств поверхности твердого тела, изучения химического состава поверхности с помощью Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и других методов в разнообразных экспериментах на борту космического аппарата. С этой целью на пилотируемых космических станциях «Салют», «Союз», «Мир», «Скайлэб» создавалось самое разнообразное экспериментальное оборудование. Так, в еще в 1973 г. в условиях работы космической станции «Скайлэб» (экспедиция «Скайлэб-IV») с помощью специальной установки были созданы и изучены плавающие зоны для очистки и выращивания монокристаллов химически активных веществ, таких как вольфрам и кремний. Позже с помощью плавающих зон были получены монокристаллы тугоплавких окислов.
214
9.ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ
ИРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
9.1.Вакуумные и высотные аэродинамические трубы
Полет на очень больших высотах моделируется в вакуумных аэродинамических трубах. Для исследования некоторых закономерностей гиперзвуковых течений используются специальные гелиевые трубы.
Высотные аэродинамические трубы (рис. 9.1) предназначены для исследования обтекания моделей разреженным газом, что соответствует полетам на больших высотах, когда число Кнудсена Kn ≥ 10–2–102. Подготовка установки к запуску начинается с откачки камеры форвакуумными и диффузионными насосами и захолаживания панелей криогенного насоса.
Рис. 9.1. Схема высотной аэродинамической трубы: 1 – подогреватель рабочего газа; 2 – сопло; 3 – модель; 4 – наблюдательныйлюкв стенке камеры, закрытый стеклом; 5 – корпус высотной камеры; 6 – ресивер сопла; 7 – координатник; 8, 9 – панеливакуумного криогенного насоса
Рабочий газ поступает из баллонов высокого давления в ресивер 6, где установлен подогреватель 1. Расширяясь в сопле 2 до заданного значения числа M, газ обтекает исследуемую модель 3 и конденсируется на панелях криогенного
215
насоса 8 и 9. Внешние панели 9 охлаждаются жидким азотом, а внутренняя 8 – гелием, охлажденным до Т = 20 К. Установки рассматриваемого типа обеспечивают давление в рабочей части p ≈ 10–3 Па и значительную длительность эксперимента τ ≈ 103 с (более 15 мин).
Вакуумная аэродинамическая труба − аэродинамическая труба, работающая при низких давлениях, лабораторная установка, предназначенная для испытания различных объектов в потоках газа низкой плотности при проектировании новых летательных аппаратов.
Рабочий газ поступает из баллона или атмосферы через регулятор давления, подогреватель и сопло в окруженную вакуумной камерой рабочую часть (рис. 9.2), где размещается модель летательного аппарата с поддерживающими ее устройствами
иизмерительная аппаратура. Иногда за рабочей частью устанавливают цилиндрический диффузор. Откачка газа из вакуумной аэродинамической трубы до давления 1–10–2 Па производится вакуумной системой, состоящей обычно из устанавливаемых последовательно механических (форвакуумных) и паромасляных насосов. Большие перспективы открывает использование в вакуумных аэродинамических трубах криогенных насосов, которые, по сравнению с паромасляными и вакуумными насосами других типов, потребляют меньшую мощность и имеют меньшие габариты при одинаковой производительности. В вакуумных аэродинамических трубах с такими насосами может быть реализован как стационарный режим работы с небольшим расходом газа, так
иимпульсный – со временем работы 0,1–5 с и увеличенным в 10 раз и более расходом.
Степень разреженности газа в рабочей части характеризуется числом Кнудсена Kn. Обычные вакуумные аэродинамические
трубы работают в области переходных режимов течения
(0,25 < Kn < 10) и режимов со скольжением (10–3 < Kn < 0,25).
216
Рис. 9.2. Баллонные аэродинамические трубы с повышенным давлением на входе в сопло и с пониженным давлением на выходе из диффузора, которое создается двухступенчатым эжектором (а) и вакуумным газгольдером (б): 1 – баллоны высокого давления; 2 – осушитель воздуха; 3 – компрессор высокого давления; 4 – подогреватель воздуха; 5 – дроссельные краны; 6 – диффузор эжектора; 7 – дроссельный кран; 8 – ресивер сопла; 9 – сопло; 10 – обдуваемая модель; 11 – диффузор аэродинамической трубы; 12 – эжекторы; 13 – радиатор; 14 – быстродействующий кран; 15 – вакуумный газгольдер;
16 – вакуумный насос
Сверхзвуковые аэродинамические трубы предназначены для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части аэродинамической трубы. В них применяют так называемое сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу Маха (М) в рабочей части. Каждому числу М отвечает определенный профиль сопла. Поэтому в сверхзвуковых аэродинамических трубах для изменения числа М в рабочей части применяются сменные сопла или сопла с регулируемым профилем, позволяющим менять форму сопла.
В общем схемы дозвуковой и сверхзвуковой (гиперзвуковой) (рис. 9.3) аэродинамических труб аналогичны.
217
Рис. 9.3. Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы: 1 – баллон с высоким давлением; 2 – трубопровод; 3 – регулирующий дроссель; 4 – подогреватель; 5 – форкамера с хонейкомбом и сетками; 6 – гиперзвуковое осесимметричное сопло (сопло Лаваля); 7 – рабочая часть с моделью; 8 – гиперзвуковой осесимметричный диффузор; 9 – воздухоохладитель; 10 – направление потока; 11 – подвод воздуха в эжекторы; 12 – эжекторы; 13 – затворы; 14 – вакуумная емкость;
15 – дозвуковой диффузор
При получении потоков разреженного газа с помощью сопла Лаваля в его расширяющейся части быстро нарастает пограничный слой, который препятствует реализации режима. Эту трудность обходят путем использования так называемых недорасширенных сопел или диафрагм. Заметное уменьшение толщины пограничного слоя можно получить, используя отсос пограничного слоя.
В диффузоре сверхзвуковой аэродинамической трубы скорость газа должна падать, а давление и плотность увеличиваться, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося-расходя- щегося канала. В сходящейся части (конфузоре) сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает так называемый «скачок уплотнения» (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых аэродинамических труб часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.
218
В сверхзвуковой аэродинамической трубе потери энергии на трение и вихреобразование, значительно меньше потерь в ударных волнах, возникающих в диффузоре. Кроме того, потери при обтекании самой модели значительно больше, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые аэродинамические трубы имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, нежели дозвуковые.
Для получения потоков газа с числом Kn > 10 используются установки со свободномолекулярным пучком, отличающиеся от собственно вакуумных аэродинамических труб тем, что в их рабочей камере устанавливаются поперечные перегородки – сепаратор и система коллиматоров – с отверстиями для прохождения потока. Из разогнанного в сопле газа выделяется свободномолекулярный пучок со скоростями, одинаковыми по направлению и модулю. При этом большая часть газа, вытекающего из сопла, откачивается одной группой насосов до давления ≈1–10–2 Па, а собственно свободномолекулярный пучок – другой группой до давления 10–2–10–4 Па.
Для измерения давления в вакуумных магистралях и в рабочей части применяются различные типы вакуумметров, наиболее распространенными из которых являются термопарные и ионизационные. Для измерений аэродинамических сил и моментов применяются аэродинамические весы с размером отсчета до долей миллиграмм. Визуализацию течений проводят с помощью тлеющего разряда и электронного пучка.
Важным объектом исследований являются струи, истекающие в вакуум или в область с низким давлением. Такие струи широко применяются для управления космическими и воздуш- но-космическими аппаратами, а также характерны при работе вакуумных аэродинамических труб. В струях течение может проходить все режимы – от течений, характерных для сплошной среды, до свободномолекулярного течения.
Вакуумная аэродинамическая труба ВУ-1М создана в Газо-
динамической лаборатории (ныне Научно-исследовательский
219
институт тепловых процессов (НИИТП)) под руководством А.А. Крылова. На ней были выполнены экспериментальные исследования, связанные с проблемой входа летательных аппаратов в плотные слои атмосферы, лунной программой, программами Венеры и «Союз-Аполлон», исследована аэродинамическая интерференция тел в разреженном газе, смоделированы условия обтекания тел на высотах 30–100 км и струйных течений разреженного газа. С помощью специально созданных уникальных аэродинамических весов исследовано распределение давления
инапряжения трения на поверхности тел, обтекаемых разреженным газом. Результаты этих исследований нашли применение при создании новых образцов космической техники.
Гиперзвуковые аэродинамические трубы Т-2 и Т-3 баллон- но-эжекторного типа для исследования обтекания тел однофазным или двухфазным (газ–твердые частицы) потоком являются единственными в России, обеспечивающими экспериментальные исследования высокоскоростных двухфазных течений и их воздействия на тела (скорость частиц до 700 м/с при температуре несущей фазы до 900 К, расходная концентрация примеси твердой фазы до 0,3).
Вакуумно-криогенная установка ВУ-2 с откачной системой производительности предназначена для моделирования условий полета с гиперзвуковыми скоростями на высотах 30–200 км, для исследования процессов взаимодействия газа с поверхностью
ифизических процессов в неравновесной низкотемпературной плазме.
Ввакуумных аэродинамических трубах ВАТ-3, ВАТ-102,
ВАТ-103, ВАТ-104 (V = 4,2 км/с; Т = 9000 К); ВТС (вакуумная труба для отработки конструкционных материалов; Т = 8000 К)
ЦАГИ им. Жуковского проводятся исследования, связанные с созданием объектов воздушно-космической техники, которые позволяют производить измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на модель летательного аппарата (ЛА), изучать пограничные слои, характер обтекания модели ЛА
220