сварка в космосе

сварка в космосе

В принципе космическая среда позволяет использовать все применяемые сейчас в промышленности виды соединений материалов — механические (резьбовое, шарнирное, замковое, заклепочное и т. п.), адгезионные (склеивание, пайка, нанесение покрытий) и сварные. Каждый из перечисленных видов соединений имеет преимущества и недостатки, а также область применения. Подробный сравнительный анализ всех этих видов соединений с точки зрения целесообразности использования их в космосе является самостоятельным вопросом и рассмотрение его выходит за рамки задач, поставленных авторами.

Мы же ограничимся рассмотрением соединений, которые получают с использованием сварочных и родственных технологий. Имеются в виду собственно сварочные процессы (с расплавлением или без расплавления соединяемых материалов), а также процессы пайки и нанесения покрытий путем испарения и конденсации веществ. Все эти процессы объединены тем, что образуют соединения материалов, использующие атомные и межмолекулярные силы взаимодействия. Такого рода соединения имеют ряд преимуществ, очень важных для космических условий. Это, прежде всего, высокая их прочность и долговечность, малое увеличение массы соединяемых деталей, относительная простота выполнения, надежность, большая гибкость в выборе типа соединений и т. д.

В данной работе пока не рассматривается перспективный для космоса процесс склеивания, так как в настоящее время имеется лишь незначительный опыт его применения в вакууме.

Возможность использования тех или иных способов сварки и сварочных процессов в космосе на начальных этапах исследований широко дискутировалась . Первоначальные воззрения сводились к тому, что наибольшие преимущества в космосе будут иметь такие способы сварки, которые не сопряжены с расплавлением соединяемых или присадочных материалов и позволяют эффективно использовать космический вакуум и инфракрасное солнечное излучение. Речь идет о холодной и диффузионной сварке, сварке взрывом и магнитно-импульсной сварке. Однако по мере накопления экспериментальных данных, уточнения предполагаемых видов работ и соединяемых материалов эти первоначальные воззрения были постепенно пересмотрены. Стало понятно, что само по себе удобство использования сварки в космосе не может служить достаточным основанием для оптимального выбора способа соединения. Исследования, которые проводились в Институте электросварки им. Е. О. Патона, начиная с 1964 г., показали, что эффективность применяемых способов сварки должна оцениваться по целому комплексу параметров. При этом необходимо руководствоваться как специфически сварочными критериями (высокое качество соединений, простота и технологичность процесса, универсальность), так и критериями, принятыми для космической техники (высочайшая надежность, безопасность, малая энергоемкость, минимальные масса и объем аппаратуры

Если оценивать существующие способы сварки по этим критериям, то можно сделать следующие выводы: диффузионная и холодная сварка, сварка взрывом, магнитоимпульсная и контактная сварка, не связанные с наличием большого количества газов, паров и расплавленного металла в рабочей зоне, действительно не встретят существенных трудностей при применении в космосе. Это было подтверждено и экспериментами в специальных стендах, позволяющих имитировать условия космоса. Однако область применения этих способов в космосе ограничена их малой универсальностью и необходимостью тщательной подгонки и подготовки соединяемых поверхностей. Контактная и магнитоимпульсная сварка, кроме того, сопряжены с наличием мощных магнитных полей и громоздкой аппаратуры. Осложнен также и контроль качества получаемых соединений. Поэтому можно полагать, что эти способы найдут в космосе ограниченное применение на более поздних этапах, когда потребуется серийное производство однотипных конструкций. По-видимому, не очень перспективна для космоса сварка трением, так как она требует громоздкого оборудования и связана с необходимостью приложения к соединяемым деталям больших вращающих моментов, нежелательных в без- опорном пространстве. Однако этот метод сварки имеет и ряд преимуществ — возможность сварки разнородных материалов, малая энергоемкость. Поэтому в будущем также можно ожидать использования его в космосе. Что касается ультразвуковой и высокочастотной сварки, которые отличаются высокой энергоемкостью, малой универсальностью и, главное, высоким уровнем акустических и электромагнитных помех, неприемлемых по условиям эксплуатации космических аппаратов, то перспектива их использования в космосе крайне мала. Таким образом, по комплексу упомянутых критериев наиболее перспективными для космоса являются широко распространенные в наземной промышленности методы сварки плавлением, в которых для нагрева соединяемых деталей используются традиционные источники тепла — электрическая дуга, плазма или электронный луч. Среди этих источников тепла сознательно не упомянуты оптические квантовые генераторы (лазеры). Это связано с тем, что применение лазеров сопряжено с большими тепловыми потерями (низким КПД) и сложно для сварки в вакууме из-за запыления оптики. Дальнейшее совершенствование аппаратуры для лазер иродных;

Screenshot_73

Рис. 1.3. Распределение потребляемой электроэнергии между цепями энергопитания, инструментом и обрабатываемым изделием при электронно-лучевой (д), дуговой (б) и плазменной (в) сварке в вакууме и микрогравитацииной сварки может сделать этот метод также перспективным для космических условиq

Дуговая, плазменная и электронно-лучевая сварки были всесторонне исследованы в Институте электросварки им. Е. О. Патона с точки зрения оценки возможности их использования в космосе. Было показано, что каждый из этих способов может найти свою область применения при изготовлении и ремонте перспективных космических крупногабаритных конструкций.

Некоторые технологические рекомендации по использованию дуговой и плазменной сварки приведены в последующих параграфах. Однако на сегодня наиболее перспективной для использования в космосе, несомненно, надо признать электронно-лучевую сварку, которой в дальнейшем уделено наибольшее внимание. Основными преимуществами этого способа сварки в космосе являются:

  • рациональное использование космического вакуума;
  • возможность соединения практически всех, применяемых в космических аппаратах материалов, иногда
  • высокий термический КПД, достигающий в раде случаев 80 % (рис. 1.3);
  • возможность гибкой регулировки плотности энергии в пятне нагрева за счет фокусировки электронного пучка, благодаря чему этот способ универсален и может быть использован не только для процесса сварки, но и для других, упоминавшихся выше родственных процессов: резки, пайки, испарения или просто нагрева материалов и изделий;
  • малые габариты и масса оборудования.

В заключение надо упомянуть и о возможности непосредственного использования солнечной энергии для соединения материалов в космосе. Исследованию этого вопроса уделялось значительное внимание. Использованию солнечной энергии препятствует пока громоздкость и несовершенство фокусирующих систем и систем слежения за солнцем, отсутствие эффективных силовых светодиодов и загрязнение оптики парами расплавляемых материалов. Тем не менее, возможно, что солнечные лучи или другие источники инфракрасного излучения найдут все же применение в космосе для пайки или соединения термопластов.