Оставить свой след в космосе…

День космонавтики для всех нас является замечательной календарной датой. Улыбка Юрия Гагарина с детства знакома и дорога каждому. Полет первого человека в космос, сделав Россию передовой космической державой, пробудил у огромного числа людей стремление к познанию неизведанного, сформировал целое поколение романтиков и энтузиастов – ученых. Сравнительно молодая томская академическая наука тоже внесла свой вклад в развитие российской космической отрасли. Работы в этом направлении ведутся постоянно; последние два года отмечены достижениями, открывающими значительные перспективы.

Как не встретиться с дугой на орбите?

Создание любого космического аппарата требует больших вложений – и научных, и финансовых. Поэтому, очень важно, чтобы при его выходе в космос не произошло ничего, что бы вывело дорогостоящий аппарат из строя и поставило «крест» на проекте. Одна из серьезных угроз нормальному функционированию космического аппарата – электрический пробой в его электрических цепях. Дело все в том, что с каждым годом наращивается энергоемкость космических аппаратов, и сейчас бортовые напряжения достигают 100 вольт: что в три раза выше порога дугообразования! Увеличение напряжения бортовой сети резко повышает риск зажигания вакуумной дуги, которое неизбежно вызывает сбой в работе оборудования или даже его разрушение. В мировой практике известны случаи выгорания солнечных батарей на европейских спутниках.

С 2013 года в Институте сильноточной электроники СО РАН ведется разработка методов комплексной диагностики бортовой аппаратуры космических аппаратов на предмет ее устойчивости к дугообразованию. В рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» выполняется поисковое научное исследование, инициированное технологической платформой Российской Федерации «Национальная информационная спутниковая система».

Масштабный проект объединяет ученых и разработчиков из ИСЭ СО РАН, томских вузов – ТПУ, ТГУ и ТУСУР, а индустриальным партнером является ОАО «“Информационные спутниковые системы” имени академика М.Ф. Решетнева». Проект, выполнение которого рассчитано на три года (2015–2017), возглавляет Александр БАТРАКОВ, заведующий лабораторией вакуумной электроники ИСЭ СО РАН. Ежегодно в течение трех лет на финансирование проекта будет направляться по 15 миллионов рублей бюджетных средств, а привлеченное дополнительное финансирование достигнет 55 миллионов рублей: это и средства индустриального партнера – «ИСС», и вложения ИСЭ СО РАН.

– Для науки в СССР, в 1970–80-е годы, было характерно долгосрочное планирование научных исследований. Сегодня во всем мире, в том числе и в России, тенденция иная: многие научные проекты, в том числе и наш, начинаются буквально с нуля, – рассказывает Александр Владимирович. – Это связано с тем, что финансирование выделяется под исследования, которые, базируясь на фундаментальных достижениях, нацелены на решение актуальной прикладной задачи в интересах того или иного крупного промышленного партнера. Например, в настоящее время отсутствуют методы неразрушающего контроля, которые бы позволяли проводить диагностику отдельных частей электротехнического оборудования. Одна из главных задач нашего проекта – предложить такие методы, которые бы позволили проверить электрическую прочность каждой электронной платы еще в условиях искусственной «космической» плазмы еще на земле, увидеть и исключить те слабые места, в которых может произойти вакуумный пробой. Это позволит обезопасить электронику космического аппарата в условиях реального космоса.

У каждого из участников проекта – своя задача. В ТГУ ведутся теоретические исследования, в ТПУ создаются изоляционные материалы и кабели, а ТУСУР разрабатывает комплекс компьютерных программ. В ИСЭ СО РАН создается уникальное дефектоскопическое оборудование, которое позволит тестировать детали аппаратуры на вероятность образования вакуумной дуги и исследовать электроразрядные процессы, которые могут происходить внутри космического корабля.

Результаты этих исследований в первую очередь важны для обеспечения бесперебойной работы спутников связи с большой излучаемой мощностью, покрывающих сигналом большие территории. Осенью 2015 года будет собран экспериментальный образец диагностической установки, тестирование которого будет проводить индустриальный партнер проекта – ОАО «Информационные спутниковые системы». В 2017 году опытно-конструкторские образцы должны будут переданы в НПЦ «Полюс», где будет продолжена отработка методики тестирования бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов.

Томичи – для космического корабля нового поколения

Создание космического корабля нового поколения – это задача государственной значимости. Для этого необходимы прорывы в различных научных направлениях, потому что только так можно создать качественно иные материалы, технологии, подходы. Так, специально для авиакосмической отрасли разработаны новые высокопрочные легкие алюминиевые сплавы.

Но… есть одно «но»: такие сплавы не поддаются сварке традиционными методами. Необходимо применение новейшей технологии создания неразъемных соединений. Речь идет о сварке трением с перемешиванием. Суть ее заключается в том, что плавления металла не происходит, а сам сварной шов формируется за счет фрикционного нагрева и сверхинтенсивной пластической деформации. Новая технология требует развития новых подходов к диагностике состояния сварного соединения, полученного данным методом. Это невозможно сделать без глубоких знаний закономерностей пластической деформации. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН является одним из лидеров в мире в области фундаментальных исследований многоуровневых механизмов пластической деформации. Именно многоуровневый подход позволяет понять природу и изучить механизмы пластического деформирования материала в столь сложных условиях.

С 2013 года согласно постановлению российского правительства ИФПМ СО РАН совместно с ОАО «Ракетно-космическая корпорация “Энергия” им. С.П. Королева» и Томским политехническим университетом реализуют проект «Разработка и внедрение высокоэффективной технологии активно-пассивного контроля качества соединений, полученных методом сварки трением с перемешиванием, для изготовления корпусных элементов ракетно-космической техники нового поколения».

– Контроль качества сварных соединений нового типа имеет принципиальное значение: ведь речь идет о выявлении различных дефектов, которые могут отрицательно сказаться на работе космического аппарата. В космосе все должно быть безупречно: от этого зависит не только престиж России на мировой арене, но и жизни людей – говорит Евгений КОЛУБАЕВ, зав. лабораторией контроля качества материалов и конструкций ИФПМ СО РАН. – Комплексное применение выбранных методов неразрушающего контроля не случайно, оно позволяет с максимальной достоверностью и эффективностью выявлять специфические дефекты различного типа, характерные для сварки трением с перемешиванием. Применение разработанного комплексного решения позволит обеспечить надежность сварных соединений космической техники из перспективных алюминиевых сплавов.

Анализ методов неразрушающего контроля, применяемых ведущими мировыми производителями авиакосмической техники, такими как «Thales Alenia Space» и «Airbus», показал уникальность предложенного нами подхода. По признанию специалистов, сегодня это лучший в мире комплекс контроля состояния нового типа неразъемных соединений.

Другой проект, связанный с космической тематикой, институт также выполняет в той же связке (ИФПМ СО РАН – ТПУ – ОАО «РКК “Энергия”»). Это решение проблемы защиты стекол иллюминаторов космических аппаратов от многочисленных поверхностных разрушений, вызванных бомбардировкой микрометеороидами и космическими мусором. Это крайне непростая задача, ведь при этом необходимо сохранить оптические свойства иллюминатора.

Ученым удалось решить эту проблему – была разработана технология магнетронного нанесения специальных покрытий, которые будут защищать стекла от повреждающего воздействия микрометеороидов.

– Оптически прозрачное многокомпонентное покрытие состоит из двух слоев, – рассказывает Виктор СЕРГЕЕВ, зав. лабораторией материаловедения покрытий и нанотехнологий. – В состав многослойного покрытия входят более десяти элементов таблицы Менделеева. Каждый из слоев имеет свою функцию. Одни слои решают задачу повышения ударной, термоциклической и радиационной стойкости, другие делают покрытие прозрачным и т.д.

Проведенные в 2014 году испытания по бомбардировке стекол с новым покрытием (на легкогазовой пушке, разгоняющей микрочастицы железа со средним размером около 50 микрометров до скоростей 5–8 километров в секунду) прошли успешно. После нанесения покрытия число кратеров, образующихся на поверхности стекла, уменьшилось в три раза.

В ОАО «РКК “Энергия”» было принято решение – обеспечить защиту стекол иллюминаторов перспективных космических кораблей и модулей Международной космической станции с помощью покрытий, разработанных в Томске. Работа эта будет выполняться в ИФПМ СО РАН, где в 2015 году совместно с ТПУ будет запущена технологическая линия по нанесению защитных покрытий на стекла иллюминаторов.

Этими примерами не исчерпывается сотрудничество ИФПМ СО РАН с космической отраслью. Сегодня в работе находятся четыре космических эксперимента с участием института. Общая сумма проектов и контрактов, выполняемых совместно с томскими университетами, перевалила за 400 миллионов рублей. Необходимо отметить, что за этими достижениями стоят годы исследований, которые и позволили сформировать ключевые компетенции, позволяющие решать задачи такой сложности.

Томское оборудование – на космодроме «Восточный»

Когда мы видим по телевизору запуск космического аппарата, то это зрелище всегда захватывает дух! Но мало кто задумывается, что это сложнейший процесс всегда обеспечивается работой целого ряда устройств и приборов, контролирующих состояние окружающей среды и, в частности, метеорологической ситуации в районе космодрома.

Всем томичам будет приятно знать, что в решении этой задачи используются и достижения нашей академической науки и инновационного бизнеса. В конце 2014 года на космодром «Восточный» была поставлена партия автономных метеорологических комплексов, разработанных и произведенных Институтом мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и инновационной компанией «Сибаналитприбор», которая является резидентом ОЭЗ ТВТ «Томск» и промышленным партнером института.

Важно отметить, что в ИМКЭС СО РАН постоянно ведутся работы по созданию автоматических метеорологических станций нового поколения. В основе разработок лежит уже известная автономная метеорологическая станция АМК–03, в которой реализован ультразвуковой метод измерения характеристик ветра и температуры воздуха. Такая станция обладает очень высокими эксплуатационными свойствами и соответствует самым строгим требованиям. Все процессы измерения, регистрации и передачи информации в ней полностью автоматизированы, станция может работать в автономным режиме, без обслуживания человеком, более года.

Как избежать встречи с космическим мусором?

Одной из самых острых проблем для освоения космоса является скопление «космического мусора», вращающегося по космическим орбитам вокруг нашей планеты. Он перемещается в околоземном пространстве со скоростью около 8 километров в секунду, поэтому важно избежать столкновения космического корабля или космонавта с таким объектом. Все страны, участвующие в освоении космоса, уделяют самое пристальное внимание мониторингу космического пространства: создание и использование наземных средств оптического зондирования и мониторинга околоземного пространства является одной из самых актуальных задач для космической отрасли.

В России осуществляется проект по созданию и размещению на территории нашей и других стран, таких, как Бразилия, ЮАР, станций космического мониторинга с использованием квантово-оптических систем (КОС) в системе «ГЛОНАСС». Эти системы снабжены комплексами аппаратуры для измерения астроклиматических и метеорологических параметров, разработанными в Институте оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН.

Комплекс в круглосуточном режиме работы обеспечивает КОС информацией по ряду атмосферных параметров: яркость фона, прозрачность атмосферы, скорость и направление движения облаков и других наблюдаемых объектов, в том числе «космического мусора». В приземном слое измеряются метеопарамеры: температура воздуха, давление, скорость и направление движения воздушного потока, влажность воздушной массы, наличие осадков (дождь, снег).

В отличие от своего аналога – метеорадиолокатора, – это устройство работает в оптическом диапазоне спектра, что позволяет регистрировать не только жидкокапельные облака, но и облака, состоящие из ледяных кристаллов. Комплекс может быть востребован при обеспечении взлетов и посадок самолетов в крупных аэропортах, а также для обеспечения работы астрономических обсерваторий, рекреационные зон и т.п., где требуется тщательный контроль оптико-физического состояния окружающего атмосферного пространства.

В 2014 году разработанные в ИОА СО РАН комплексы аппаратуры оперативного контроля оптико-физического состояния атмосферы успешно прошли государственные испытания и приняты к эксплуатации. Важно отметить, что именно они обеспечивают бесперебойную работу квантово-оптических систем, в частности, системы, которая была разработана ОАО «Научно-производственная корпорация “Системы прецизионного приборостроения”» и размещена в Бразилии, на территории столичного университета в г. Бразилиа.

Руководство ОАО «НПК “СПП”» выражает надежду, что расположение станций на территории Бразилии позволит повысить точность эфемеридно-временной информации и улучшить характеристики системы «ГЛОНАСС» в целом. В настоящее время ведутся переговоры с рядом стран (Куба, ЮАР, Китай, Австралия, Индонезия и др.) для создания сети квантово-оптических станций в рамках создания системы «ГЛОНАСС», а значит, разработки ИОА СО РАН найдут широкое применение.