Сварка в космосе

Особенности космической сварочной аппаратуры

Сварка в космосе
Сварка в космосе

Содержание статьи:

  1. Общие понятия
  2. Соответствие функциональным задачам
  3. Надежность.
  4. Минимизация габаритов, массы и энергопотребления
  5. Совместимость сварочного оборудования с космическим объектом
  6. Ремонтопригодность
  7. Контроль параметров процесса и диагностика состояния оборудования

Опыт, накопленный при проведении рассмотренных выше экспериментов сварки в космосе  и исследований, показывает, что для выполнения  работ с использованием сварки и родственных технологий перспективны три типа установок: автоматические, механизированные и предназначенные для выполнения работ вручную (ручные инструменты). Каждый из них имеет свою область применения.

Автоматические установки целесообразно использовать в тех случаях, когда заранее, обычно еще на Земле, известны район и условия проведения работ, тип сварного и паяного соединения, марка и толщина обрабатываемых материалов, а технология и режимы функционирования аппаратуры опробованы. Типичный случай использования таких установок для сварки в космосе — сборка в космосе больших ферменных конструкций (см. параграфы 4.1, 4.3).

Механизированные установки целесообразно использовать тогда, когда известны район и условия проведения работ, необходимо сваривать протяженные швы, требуется высокая надежность сварных швов, не допускающих таких дефектов, как не герметичность и не провары. Обычно это монтажные и ремонтные работы, при которых роль оператора ограничивается размещением аппаратуры в месте выполнения работ, выбором требуемого режима обработки, включением аппаратуры и контролем качества выполненной работы. Типичный случай ремонт трубопроводов, ремонт корпуса космического аппарата.

УРИ, аппарат для сварки в космосе
УРИ, аппарат для сварки в космосе

Начиная с 1993 г. Институтом электросварки им. Е. О. Патона совместно с Германским космическим агентством DARA и фирмой DASA проводились работа по разработке механизированной сварки и родственных технологий в космосе.

Проведенный детальный анализ показал что наибольший объем ремонтно-восстановительных работ на космических аппаратах ожидается при выходе из строя герметичных емкостей, трубопроводов, помещений для экипажей и др.

До настоящего времени основной объем научно-технологических исследований был направлен на выполнение сварочных и других работ непосредственно оператором с помощью ручных инструментов. Как указывалось выше, с помощью ручной сварки получить герметичные соединения в ряде случаев весьма сложно.

Одной из главных трудностей при ремонте трубопроводов на космических аппаратах является малое расстояние трубопроводов друг от друга и от оболочки летательного аппарата (50—80 мм). Кроме того, надо иметь в виду, что стыки труб, подлежащих ремонту — неповоротные, а внутри трубопроводов могут быть остатки транспортируемых жидкостей. Весьма ответственным является также ремонт цилиндрической оболочки корабля в случае его разгерметизации по каким- либо причинам.

Значительно более перспективной для обеспечения герметичности сварных соединений является механизированная сварка.

Комплект универсальных сварочных инструментов “Универсал” может быть использовгл в качестве прототипа аппаратуры, создаваемой для проведения механизированной сварки и пайки.

В качестве вспомогательного оборудования  для сварки в космосе должны быть созданы специализированные устройства, позволяющие выполнять как прямолинейные или круговые швы по заданной программе, так и неповоротные стыки трубных соединений.

Как было указано выше, отличительным свойством трубопроводов на космических аппаратах является малое расстояние их друг от друга, поэтому для их ремонта методом сварки неповоротных стыков необходимо иметь малогабаритную электронно-лучевую пушку, обеспечивающую возможность вращения вокруг стыка, либо приборы управления, вращающие луч вокруг стыка.

В настоящее время уже разработаны схемы и образцы специализированного сварочного оборудования, с помощью которого можно будет проводить механизированную сварку, пайку и резку в космосе.

Ручные инструменты используются, как правило, при всех видах ремонтных и во многих случаях монтажных работ, если не требуется обеспечения гарантированной герметичности. В этом случае в функции оператора входит оценка состояния обрабатываемого изделия, выбор режимов обработки, непосредственное выполнение работы и, при необходимости, повторный ремонт дефектных участков. Типичный пример — ремонт или замена потерявших устойчивость или разрушившихся стержней ферменных конструкций.

Независимо от типа космических сварочных установок все они имеют общую специфику, отличающую их от земных.

Специфика оборудования для сварочных работ в космосе определяется необходимостью обеспечения абсолютной безопасности, особыми свойствами окружающей среды, которые были рассмотрены выше, уникальностью и высокой стоимостью каждого включения аппаратуры.

Космическое сварочное оборудование может быть специализированным (для однотипных операций с использованием одного технологического процесса) или универсальным (позволяющим выполнять различные операции с использованием нескольких технологических процессов).

Как уже отмечалось, в качестве источника тепла в большинстве случаев сейчас применяется электронный луч.

Сложность создания оборудования для сварочных работ в космосе заключается в том, что оно должно, с одной стороны, обладать необходимыми параметрами и качествами, присущими специализированной сварочной аппаратуре, с другой, — полностью соответствовать специальным требованиям, предъявляемым к изделиям, выводимым в космос. Рассмотрим основополагающие

требования, которые должны выполняться неукоснительно.

Соответствие функциональным задачам. Оборудование для сварки в космосе должно быть в максимально возможной степени приспособленным для выполнения задач, которые на него возлагаются. Имеется в виду строгое обеспечение требуемой мощности источника тепла, скорости сварки, глубины проплавления, фокусировки пучка, номенклатуры соединяемых материалов и других параметров, гарантирующих высокое качество конечного продукта. В то же время нецелесообразно предусматривать значительные резервы по перечисленным параметрам, так как это приводит к дисбалансу с другими, не менее важными, требованиями, предъявляемыми к аппаратуре.

Безопасность. Потенциальными источниками опасности при функционировании сварочной аппаратуры в космосе являются:

  • высокая температура, до которой нагрет расплавленный металл и могут быть нагреты отдельные детали оборудования;
  • термическая разрушительная способность электронного луча;
  • повышенное напряжение источников электропитания;
  • сопутствующие явления (тормозное рентгеновское и инфракрасное излучения, электро- и радиопомехи и т. п.).

Обеспечение абсолютной безопасности достигается соответствующим выбором параметров аппаратуры и конструктивных решений, локализацией и изоляцией зон потенциальной опасности, введением различного рода ограничений, экранов, механических и электрических блокировок и т. п.

Надежность. Можно выделить две составляющие надежности: надежность технологии как сочетания ряда физических процессов и надежность функционирования оборудования. Обе эти составляющие взаимосвязаны. Но надежность технологии в большей степени зависит от уровня знаний об условиях выполнения процессов и качества их предварительной отработки, а надежность функционирования оборудования — от правильности конструктивных решений, выбора и качества конструкционных материалов и комплектующих изделий, резервирования функционально важных узлов и т. д Это один из наиболее сложных вопросов. Минимальные параметры обеспечиваются в основном рациональным выбором конструкционных материалов и комплектующих изделий, отвечающих современным требованиям, тщательным выполнением тепловых и механических расчетов, оптимизацией эксплуатационных характеристик и т. д.

Следует отметить, что многие перечисленные выше требования зачастую противоречат друг другу. Так, требование обеспечения минимальных массы, габаритов и энергопотребления, как правило, противоречит повышению надежности и безопасности аппаратуры. В свою очередь, беспредельное повышение безопасности препятствует полному выполнению функциональных задач, может уменьшать надежность и т. д. Поэтому при создании оборудования приходиться оптимизировать эти требования с учетом приоритетности каждого из них.

Такая совместимость подразумевает:

  • отсутствие взаимных помех при функционировании сварочного оборудования и систем космического объекта, включая электромагнитную совместимость;
  • согласование параметров систем энергопитания, телеметрии и терморегулирования (при необходимости);
  • соответствие габаритных характеристик аппаратуры и размеров транспортных коммуникаций космического объекта;
  • максимально возможную степень использования приборов, аппаратуры и коммуникаций, входящих в состав собственно космического объекта;
  • соответствие дизайна сварочной аппаратуры и интерьера объекта и удобство обслуживания аппаратуры;
  • соответствие органов управления и индикации сварочной аппаратуры и антропометрических данных экипажа объекта и специфики защитного снаряжения, если таковое имеется.

Ремонтопригодность. Сложность космического сварочного оборудования и высокая стоимость доставки на космические объекты требует обеспечения ресурса его работоспособности, измеряемого десятками лет. Это невозможно осуществить без замены отдельных блоков или узлов. Конструкция аппаратуры должна быть такой, чтобы можно было быстро, легко и безопасно их заменять. Как правило, замена производится в герметичных отсеках космических объектов. Но в ряде случаев может потребоваться замена и за бортом, в открытом космосе. Такие работы должен проводить оператор, снаряженный в космический скафандр. Поэтому конструкция узлов, заменяемых в открытом космосе, должна позволять выполнять эти операции.

Контроль параметров процесса и диагностика состояния оборудования. Используется два вида контроля параметров — сопутствующий и последующий. Они могут использоваться совместно или раздельно. Сопутствующий контроль, т. е. контроль параметров процесса, используется тогда, когда с аппаратурой непосредственно работает оператор. При этом обычно один или два наиболее важных параметра непрерывно фиксируются на хорошо наблюдаемом операторами табло. Остальные измеряемые параметры могут отображаться периодически, по вызову. Кроме того, все измеряемые параметры через собственную систему телеметрии сварочной установки подаются на вход системы телеметрии космического объекта, регистрируются его записывающими устройствами и через определенные промежутки времени передаются на Землю.

Это необходимо для последующего контроля и анализа режима работы аппаратуры специалистами Центра управления полетом и специалиста ми-сварщика ми.

Диагностика состояния сварочной аппаратуры обязательно производится перед первым включением се после доставки с Земли на борт космического объекта. При необходимости диагностика может проводиться и перед последующими включениями. В зависимое™ от сложности и ответственности оборудования применяют различные системы диагностики — от простейшей, отвечающей лишь на вопрос “функционирует—не функционирует”, до развитой, позволяющей определить неисправный узел, причину возникновения неисправности, зафиксировать автоматический переход на резервную систему или принять решение о принудительном введении резервной системы вручную, дать команду о замене оператором неисправного узла и т. д.

Выполнение перечисленных выше требований для сварки в космосе  достигается как за счет собственно конструктивных решений, так и за счет четко отработанных методических рекомендаций по работе с аппаратурой. Эффективность этих мероприятий проверяется на стадии всесторонних наземных испытаний аппаратуры. Эти вопросы будут более подробно рассмотрены в следующих параграфах.

Добавить комментарий