Стратегии космических агентств

[crazy_terraformer]

Робопауки экструдируют расплавленный пластик и вяжут из волокон первичный внешний каркас с креплениями внутри для роботов раскладывающих плиты алюминиевой брони и временные крепления для неё. Так собирается корабль снаружи внутрь.

[LV46]

(кликните для показа/скрытия)

надувные модули можно сделать "становящимися жесткими" и даже "металлизирующимися";

"- Потом пошла обратка
 - Какая обратка?
 - Кальций стал метализоваться" (c) Терминатор 2 в озвучке Держиморда филмс.
 

[Dem]

Мдя, такие объемные системы (у меня дачный домик раза в два а то и в три меньше будет) - и выводить за один раз обычными ракетными носителями - ИМХО, "классический" "жестко-металлический" конструктив еще долго не позволит...

А если у Маска его старшип в одноразовом варианте заказать? Чтобы взлетел и пристыковался?
Не 12 метров диаметр а всего 9, зато в длину в 3-6 раз больше.

[николай теллалов]

Робопауки экструдируют расплавленный пластик и вяжут из волокон первичный внешний каркас с креплениями внутри для роботов раскладывающих плиты алюминиевой брони и временные крепления для неё. Так собирается корабль снаружи внутрь.

+
впрочем, ничто не мешает вязать и из металлической проволоки, спаивая их электроразрязами, зеркалом или лазером

[LV46]

Робопауки экструдируют расплавленный пластик и вяжут

... паутину и ловят робомух. 

[николай теллалов]

ловят робомух

космический мусор - почему бы нет

[Veganin]

впрочем, ничто не мешает вязать и из металлической проволоки, спаивая их электроразрязами, зеркалом или лазером

Тем более, что проволоку можно доставлять в бухтах, очень удобно при запуске, хранении на борту и использовании в работе.

[Dem]

Люминь тоже отлично экструдируется.
Что в виде проволоки, что в виде листов.
А без оксидной плёнки он ещё и свариваться сам собой будет.

[crazy_terraformer]

У полимеров температура плавления меньше и они легче. Т.е. оболочка и каркас из них будут сделаны быстрее.

[drzerg]

а чем плох надувастик? тем что мягкий? так внутрь через шлюз засовывается арматура и собирается спокойно не торопясь ручным шуруповертом. и внезапно надувастик превращается просто в оболочку. а как оболочка он дает фору всем остальным. а внутри может быть сколь угодно жестким. можно даже надуть надувастик в надувастике и сделать дополнительные гермообъемы. а часть надувастика сделать негерметичным складом/доком. да хоть горючее в него заправляй.

[Anatoly]

а чем плох надувастик? тем что мягкий?

ИМХО, основная "некоторая неопределенность" надувастика - в материале оболочки, которая требует надежного сохранения пластичности и прочности для очень разных температурных режимов - если материал "держит" температуры от -273 до +500 без изменения свойств - проблем не будет, а вот если нет или с течением времени исходные свойства могут деградировать - то ой... Если не весь диапазон температур держит оболочка - будет нужен дополнительный активный контроль температурного режима, что обычно не требуется для "жестянок"...

... внутри может быть сколь угодно жестким. можно даже надуть надувастик в надувастике и сделать дополнительные гермообъемы.

насколько удалось подсмотреть по видео и схемам - там как раз-таки как минимум двухслойная оболочка, надутая внутри слоев - и я бы предположил, что внешняя оболочка наддута меньшим давлением, чем внутренняя - такой многослойкой (слоев может быть сколько надо) можно во-первых создать доп.защиту от утечек из одного из слоев, а во-вторых несколько понизить требоования к прочности для одного слоя материала - ибо каждый слой оболочки может "держать" меньшее давление, чем требуется для внутреннего объема - к примеру, для двухслойки - внешняя оболочка держит 0,5атм - и внутренняя оболочка тоже 0,5атм - так в два раза могут быть снижены требования по прочности оболочки при достижении нужного давления внутри...

а часть надувастика сделать негерметичным складом/доком. да хоть горючее в него заправляй.

совершенно верно - и исходя из пластичности надувастика - можно даже не бояться замерзания водной оболочки (каковая дает ++ к радиационной защите) на время перелета - а запас воды может использоваться постепенно (многокамерность можно сделать) - как "рабочее тело" и для чего угодно...

ИМХО, это изделие - однозначно имеет перспективу и "экологическую нишу", в которой его возможности заменить будет либо дороже, либо нечем...

[Скеп-тик]

У полимеров температура плавления меньше и они легче. Т.е. оболочка и каркас из них будут сделаны быстрее.

А теперь вспоминаем про кислород атмосферы, который будет на скорости в 8 км/сек влетать в полимерные цепи пластика и превращать их в труху и угарный газ.

[Mercury127]

А теперь вспоминаем про кислород атмосферы, который будет на скорости в 8 км/сек влетать в полимерные цепи пластика и превращать их в труху и угарный газ.

гмм... а что мешает ему делать то же самое с металлами, разрушая кристаллическую решетку?

[crazy_terraformer]

У полимеров температура плавления меньше и они легче. Т.е. оболочка и каркас из них будут сделаны быстрее.

А теперь вспоминаем про кислород атмосферы, который будет на скорости в 8 км/сек влетать в полимерные цепи пластика и превращать их в труху и угарный газ.

А теперь вспоминаем плотность атмосферы на высоте МКС и до внутреннего радиационного пояса, и то что большинство атомов и молекул, корабль или орбитальная станция имеют близкие скорости на близких к друг другу орбитах.
Полимер к тому же временное решение, если что можно и заплату наклеить снаружи.

[николай теллалов]

заплату наклеить снаружи

изнутри лучше, давление же

[Скеп-тик]

гмм... а что мешает ему делать то же самое с металлами, разрушая кристаллическую решетку?

Если тонкие - ничего не мешает. Алюминиевая, медная фольга за несколько лет попросту испаряются.
А вот молекулы атмосферы не летят по орбитам. Потому как  держит их там гидростатическое равновесие.
Помнится, Шаттл как раз вернул на Землю какой-то пассивный испытательный спутник. И-за катастрофы с челноками спутник вместо полугода пролетал несколько лет, и его "поймали" совсем незадолго до самостоятельного схода.
Представлял он каркас, "окна" которого были затянуты различными материалами. Так вот, от органики не осталось ничего.

[Кремальера]

Брайденстайн написал что программа Artemis стартует в  декабре следующего запуском разведовательной кубосатной миссии CubeSat Pathfinder Mission на эллиптическую орбиту вокруг Луны,на которую в дальнейшем поместят станцию LOP-Gateway.
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-funds-cubesat-pathfinder-mission-to-unique-lunar-orbit

[crazy_terraformer]

заплату наклеить снаружи

изнутри лучше, давление же

Давление есть, если это полимерная банка и если в ней есть газ. Тогда да. А вот если использовать полимерную структуру - сетчатую оболочку или сплетённую оболочку как временный внешний каркас для сборки и опору для роботов, то давления воздуха на него нет.
Хотя может быть это идея избыточная и лишняя.

[drzerg]

какие 2 слоя? вы все ознакомтесь сначала что из себя представляют современные надувастики. там 30+ слоев всякого разного. + внутренние трубы жесткости которые собственно первоначально и надуваются а не внутренний объем. 3 успешных летных миссии, в том числе одна до сих пор активная 3+ лет эксплуатации на мкс.. при этом бим в запакованном виде пролежал год на земле.

параметры по старому насовскому модулю по которому данные открыты включали температуры что то вроде от -120 до +120. с тех пор бигелоу могли заметно продвинутся.

[crazy_terraformer]

гмм... а что мешает ему делать то же самое с металлами, разрушая кристаллическую решетку?

Если тонкие - ничего не мешает. Алюминиевая, медная фольга за несколько лет попросту испаряются.
А вот молекулы атмосферы не летят по орбитам. Потому как  держит их там гидростатическое равновесие.
Помнится, Шаттл как раз вернул на Землю какой-то пассивный испытательный спутник. И-за катастрофы с челноками спутник вместо полугода пролетал несколько лет, и его "поймали" совсем незадолго до самостоятельного схода.
Представлял он каркас, "окна" которого были затянуты различными материалами. Так вот, от органики не осталось ничего.

Mea culpa за разгул фантазии. Бьюсь челом об стол аки вяленый подлещик.
Да, атмосферные атомы и молекулы держатся за счёт гидростатического равновесия.

Однако, в зависимости от материала полимера эрозия поверхности за счёт окисления составляет от от 10 до нескольких сотен микрометров в год.
 Но существует методы защиты: введение специальных наполнителей и создание оксидных плёнок из Al2O3, TiO2, B2O3. Менее восприимчивы к окислению перфторированные полимеры. Покрытие поверхности поливинилтриметилсиланом приводит при его взаимодействии с кислородным потоком к образованию прочной плёнки из оксида кремния SiOx,имеющий низкий коэффициент распыления кислородным потоком.

Есть желание читайте под спойлером.
https://www.dissercat.com/content/vozdeistvie-kislorodnoi-plazmy-na-strukturu-i-fiziko-mekhanicheskikh-svoistva-polimernykh-i-

ВВЕДЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ (ЧАСТЬ АВТОРЕФЕРАТА)

на тему «Воздействие кислородной плазмы на структуру и физико-механических свойства полимерных и углеродных материалов»

(кликните для показа/скрытия)

Введение

Обработка материалов потоками кислородной плазмы (КП) в настоящее время находит применение в самых различных отраслях промышленности для решения как технологических, так и научных задач. В космическом материаловедении потоки кислородной плазмы применяют для моделирования набегающего потока атомарного кислорода ионосферы Земли при проведении лабораторных испытаний материалов космической техники.

Атомарный кислород (АК), обладающий высокой химической активностью, является основной компонентой атмосферы Земли на высотах 200-700 км, где функционирует около половины космических аппаратов (КА) различного назначения. Воздействие набегающего потока АК вызывает интенсивное распыление материалов внешней поверхности КА. В результате воздействия АК могут также значительно изменяться механические, оптические, электрофизические, теплофизические и другие эксплуатационные свойства материалов, приводящие к потере важных функциональных параметров.

В наибольшей степени разрушающему воздействию АК подвержены полимерные и углеродные материалы, за счет способности кислорода химически взаимодействовать с углеродом с образованием устойчивых летучих окислов, десорбирующихся с поверхности. Для полимерных материалов (ПМ) толщина уносимого с поверхности слоя может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров в год [1].

Сегодня материалы на основе полимеров широко применяются в ракетно-космической технике. На поверхности космических аппаратов синтетические полимеры являются наиболее распространенными материалами [1].

Полимерные пленки, обладающие высокой химической, термической и радиационной стойкостью, применяются в виде терморегулирующих покрытий и слоев экранно-вакуумной теплоизоляции, которые обеспечивают баланс между выделением тепла внутри КА, энергией, поглощаемой из космоса и

энергией, переизлучаемой в космическое пространство. А стабильность теплового режима является одним из основных факторов, определяющих надежность и долговечность работы КА, так как современная оптико-радиоэлектронная аппаратура КА работает в определенном температурном > диапазоне.

Высокие механические характеристики в сочетании с низкой плотностью, высокой химической и термической стойкостью определяют все более широкое использование ориентированных полимерных волокон в нитях и тканях чехлов и экранов, в разнообразных крепежных элементах, несущих силовую нагрузку, в перилах, страховочных тросах, канатах, используемых космонавтами при выходе в открытый космос [2-4].

Углеродные волокна служат армирующим компонентом легких и сверхпрочных конструкционных углепластиков. Графиты используются в качестве пигментов терморегулирующих покрытий и в качестве твердой смазки. Углерод служит модельным материалом при изучении механизмов эрозии под действием атомарного кислорода, поскольку он составляет основу полимерных цепей и обусловливает основную часть потери массы.

Полимерные нанокомпозиты с улучшенными прочностными, термическими, оптическими, радиационными и др. характеристиками относят к числу перспективных конструкционных и функциональных материалов космической техники.

Актуальность работы

Находясь на внешней поверхности КА, материалы подвергаются воздействию различных факторов космического пространства (ФКП). Долговечность, надежность и безопасность активного функционирования КА во многом определяются стойкостью используемых конструкционных и функциональных материалов к воздействию окружающей среды. Проблема стойкости материалов к ФКП остается актуальной с момента начала освоения космического пространства до настоящего времени.

Поиск материалов, устойчивых к воздействию АК в условиях длительного пребывания КА на околоземных орбитах, пути повышения их эрозионной стойкости, методы защиты, разработка новых функциональных и конструкционных материалов, обладающих улучшенными характеристиками, прогнозирование долговременной стабильности их свойств - все это является первостепенными задачами для разработчиков космической техники.

Создание материалов новых видов основано на знании особенностей структуры и свойств полимерных материалов. Структурная модификация (изменение степени кристалличности и ориентации структурных элементов, введение различных наполнителей и др.) позволяет получать материалы с улучшенными физико-химическими свойствами, в т. ч. с повышенной стойкостью к воздействию атомарного кислорода. В связи с этим большое значение имеет изучение влияния структурной организации полимерных материалов на их стойкость к воздействию АК.

Несмотря на большой объем накопленных экспериментальных данных по воздействию АК на полимерные материалы, до настоящего времени не создано единой модели этого процесса, объясняющей все наблюдаемые эффекты деградации поверхности.

Результаты испытаний материалов к воздействию АК, полученные на различных имитационных установках, зачастую в разы, а то и на порядок, отличаются от результатов натурных испытаний [1]. А с учётом интенсивного развития метода математического моделирования достоверность используемых входных данных приобретает особое значение.

Такое положение дел в значительной степени обусловлено недостаточной степенью соответствия лабораторного моделирования ФКП натурным условиям и недостаточной повторяемостью контролируемых условий эксперимента на имитационных стендах. Поэтому в числе наиболее важных задач выделяют необходимость совершенствования и тестирования методов имитационных испытаний с целью получения результатов, адекватных космическим условиям.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена тем, что решение вышеперечисленных задач невозможно без дальнейших исследований процесса эрозии, без получения новых качественных и количественных данных по потере массы, изменению рельефа поверхности и физико-механических свойств материалов под действием потока АК, без разработки механизмов взаимодействия АК с полимерными и углеродными материалами.

Объектом исследований данной работы явились процессы распыления полимерных и углеродных материалов потоком кислородной плазмы.

Целью дисертационной работы явилось получение новых данных по влиянию воздействия потоков КП на природу изменений структуры и физико-механических свойств полимерных и углеродных материалов, выяснение степени соответствия результатов имитационных испытаний результатам аналогичных натурных испытаний, разработка механизмов взаимодействия потоков КП с полимерными и углеродными материалами.

В соответствии с целью работы основными ее задачами стали:

-   исследование изменения оптических свойств и рельефа поверхности полиимидных (ПИ) пленок при максимальных, ранее недостижимых значениях эквивалентного флюенса (ЭФ) АК до 2,3-10 см" ;

-   установление корреляции надмолекулярной структуры полимерных материалов с морфологическими особенностями эрозионного рельефа, формируемого под воздействием потока КП;

-   исследование изменения прочностных свойств и структуры полимерных волокон в потоках КП;

-   исследование влияния степени совершенства кристаллической структуры и наличия легирующих добавок на стойкость поверхности пироуглеродных материалов к разрушению потоком КП;

-   выяснение причин повышенной эрозионной стойкости некоторых полимерных и углеродных материалов и разработка физических механизмов их распыления.

Научная новизна полученных результатов

1.   Впервые при имитационных испытаниях получены экспериментальные данные по изменению оптических свойств и рельефа поверхности ПИ пленки при максимальных, ранее недостижимых значениях ЭФ АК до 2,3 -1022 ат/см2, которые показали соответствие полученных результатов результатам аналогичных экспериментов, проведенных на борту ОС «Мир» и КА ЬБЕБ.

2.   Методом растровой электронной микроскопии установлена корреляция рельефа, формирующегося на поверхности образцов ПЭНП и ПВТМС под действием потока КП, с надмолекулярной структурой полимера.

3.   Экспериментально установлено образование защитной пленки оксидов кремния (8ЮХ) на поверхности ПВТМС под действием потока КП, обусловливающее низкий коэффициент распыления этого материала.

4.   Показано, что введение в ПИ матрицу частиц ТЮг, А1203 и \¥С значительно повышает стойкость полученных композиционных материалов к воздействию потока КП. Показано влияние степени агрегации частиц наполнителя на эрозионную стойкость композиционных материалов.

Впервые обнаружен эффект «растекания» конгломератов ТЮ2 и А120з под действием КП с образованием защитной пленки на эрозионной поверхности.

5.   Впервые проведено измерение прочностных и пластических характеристик полимерных волокон непосредственно в процессе воздействия КП. Обнаружен эффект резкого падения разрывной прочности нагруженного пара-арамидного волокна при облучении. Предложен физический механизм распыления пара-арамидного волокона, объясняющий этот эффект.

6.   Изучено влияние совершенства структуры и наличия легирующих добавок на характер рельефа, формирующегося на поверхности углеродных материалов УСБ-15, УПВ-1, ПГИ за счет эрозии под действием КП. Выявлен наиболее стойкий материал. Показано, что высокая эрозионная стойкость УСБ-15 обусловлена образованием защитной пленки В2Оз в процессе облучения.

Практическая значимость

Результаты проведенных исследований расширили базу экспериментальных данных для анализа процессов деградации и прогнозирования долговременной стабильности эксплуатационных свойств полимерных и углеродных материалов КА при воздействии АК.

Проведено усовершенствование конструкции анодного блока ускорителя, позволившее существенно повысить чистоту кислородной плазмы; даны рекомендации по профилактическому обслуживанию установки.

Качественное и количественное соответствие результатов имитационных испытаний с результатами аналогичных натурных испытаний показало корректность применения потков КП с энергией частиц кислорода ~20 эВ для лабораторного моделирования воздействия набегающего потока АК.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в работе были использованы экспериментальные и расчетные методы исследований. Экспериментальные данные получены методами лабораторного моделирования ФКП на имитационном стенде «НИИЯФ» МГУ, растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеновского микроанализа (РМА), фотометрии, масс-спектрометрии и рентгеновской дифрактометрии.


Основные положения, выносимые на защиту

1.   Результаты исследования изменения оптических свойств и рельефа ПИ пленок под действием потока КП при значениях ЭФ АК 102°-2,3-1022 ат.О/см2. Установленное качественное и количественное соответствие эрозионного рельефа и оптических свойств ПИ пленок, облученных потоком КП с энергией частиц 20-30 эВ на имитационном стенде, с рельефом и оптическими свойствами пленок, облученных АК с энергией ~ 5 эВ в натурных экспериментах на орбитальной станции (ОС) «Мир» и КА LDEF, при соответствующих значениях флюенса АК.

2.   Установленная корреляция между рельефом поверхности, формируемым потоком КП, и надмолекулярной структурой образцов полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и поливинилтриметилсилана (ПВТМС).

3.   Экспериментально установленная высокая эрозионная стойкость ПВТМС к облучению потоком КП; результаты РМА поверхности ПВТМС, показавшие формирование поверхностной пленки оксидов кремния (SiOx), обеспечивающей низкий коэффициент распыления ПВТМС.

4.   Экспериментально установленное повышение эрозионной стойкости ПИ 1 пленки при ее модифицировании частицами оксидов и карбида: ТЮ2, А12Оз,

WC; влияние степени агрегации частиц на эрозионную стойкость полученных композиционных материалов. Обнаруженный эффект «растекания» агрегатов ТЮ2 и А12Оз по эрозионной поверхности.

5.   Результаты исследования изменения механических свойств и структуры полимерных волокон в процессе воздействия потока КП; предложенный механизм распыления аримидного и пара-арамидного волокон, объясняющий резкое падение их разрывной прочности при малых потерях массы.

6.   Результаты исследования влияния совершенства структуры и состава углеродных материалов (УСБ-15; ПГИ; УПВ-1) на стойкость к распылению потоком КП; образование защитной пленки оксида бора (В203) на поверхности УСБ-15 в процессе облучения потоком КП, обеспечивающее повышенную радиационную стойкость материала.


Основные выводы

1. Установлено качественное и количественное соответствие рельефа и оптических свойств поверхности ПИ пленок, облученных потоком КП на имитационном стенде с энергией ионов кислорода 20-30 эВ с рельефом и оптическими свойствами поверхности ПИ пленок, экспонированных в открытом космосе на ОС «Мир» и КА ЬБЕБ с энергией АК ~ 5 эВ при соответствующих значениях флюенса АК, что подтвердило корректность применения данного метода имитационных испытаний.

2. Методом растровой электронной микроскопии установлена корреляция рельефа, формируемого на поверхности образцов ПЭНП и ПВТМС под действием потока КП, с надмолекулярной структурой материала. Показано что морфология эрозионного рельефа обусловлена фазовой неоднородностью полимера и различной скоростью химического распыления аморфных, кристаллических и мезофазных микрообластей полимерных материалов.

3.   Установлена высокая стойкость образцов ПВТМС к распылению атомами и ионами кислорода. Экспериментально полученный коэффициент эрозии (при значении ЭФ АК 4-10 см") составил 0,08-10"24 г/атом О, что более чем на полтора порядка ниже, чем у эталонного ПИ Кар1:оп® Н. Обнаружено, что в процессе облучения потоком КП на поверхности ПВТМС формируется пленка оксидов кремния (8ЮХ), защитное действие которой обеспечивает высокую стойкость материала к распылению ионами и атомами кислорода.

4.   Экспериментально установлено, что введение в ПИ матрицу частиц наполнителя ТЮ2, А12Оз и \УС с весовым содержанием 3% приводит к повышению эрозионной стойкости полученных композиционных материалов на 10-25% по сравнению с исходным ПИ. Показано влияние степени агрегации частиц наполнителя на эрозионную стойкость композиционного материала.

Обнаружен эффект «растекания» по поверхности полимера агрегатов наполнителя ТЮ2 и А12Оз при воздействии потока кислородной плазмы, приводящий к образованию защитной пленки.

5.   Экспериментально установлено резкое (более чем на порядок) падение разрывной прочности нагруженной пара-арамидной нити, находящейся под воздействием потоков КП. Предложен физический механизм эрозии волокна, объясняющий многократное падение его прочности при незначительной потере массы волокна.

6.   Методом РЭМ анализа образцов углеродных материалов, облученных потоком КП с максимальной энергией ионов кислорода 90 эВ и флюенсом Ю20 см"2, установлено, что эрозионная стойкость поверхности легированного бором УСБ-15 более чем на полпорядка превышает стойкость поверхностей ПГИ и УПВ-1. На основании сравнительного анализа результатов исследований исходной и облученной поверхности УСБ-15, полученных методами рентгеновского микроанализа, рентгеновской дифрактометрии и масс-спектрометрии, показано, что высокая эрозионная стойкость УСБ-15 обусловлена образованием на его поверхности защитной пленки В203.

7. Результаты работы использованы на предприятии ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при оценке эксплуатационной долговечности полимерных материалов для КА, функционирующих на низких околоземных орбитах.[/quote]