В 1991 году наша страна осуществила космический научно-технический эксперимент мирового масштаба под названием «Софора». Сегодня трудно сказать, кем и почему было придумано название. Софора — достаточно широко распространённое во многих регионах нашей страны лечебное растение. Цель эксперимента — впервые в мире собрать крупногабаритную разворачиваемую металлическую конструкцию в условиях орбитального полёта.
Создание подобных конструкций в космосе — одна из важнейших научно-технических проблем в его освоении. Сложность была обусловлена невозможностью доставки на орбиту крупногабаритной конструкции в собранном виде (большой объём). Даже в случае доставки в разобранном виде собрать конструкцию привычными для наземных условий методами не представляется возможным, поскольку в условиях открытого космического пространства космонавт не может приложить необходимые усилия для соединения узлов известными способами.
Эксперимент продемонстрировал всему миру возможности применения уникального конструкционного материала, обладающего свойством эффекта памяти формы, для сборки металлической конструкции в космосе.
Открытие эффекта памяти формы
Открытие явления эффекта памяти формы относят к важнейшим открытиям ХХ века, сопоставимым с термоядерной реакцией. Эффект объясняется тем, что созданные конструкционные материалы способны выполнять функции, несвойственные металлическим материалам и неизвестные ранее человечеству. На начальных этапах изучения этих материалов не было должного понимания и признания открытого эффекта. Не было и конкретных целей его применения.
Путь от открытия эффекта памяти формы до реализации эксперимента «Софора» был очень долгим и непростым. На это потребовался не один десяток лет. В 1948 году один из крупнейших советских учёных-металлофизиков академик Г.В. Курдюмов предсказал существование нового типа внутренних превращений в сплавах. В следующем году Курдюмовым в содружестве с Л.Г. Хандросом и М.А. Арбузовой эти превращения были экспериментально обнаружены в сплаве (Cu-Al-Ni).
В 1949 году исследования этих учёных были опубликованы в докладах АН СССР. В них сообщалось об обнаружении необычного поведения кристаллов некоторых сплавов. И только в 1980 году Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий принял решение о регистрации этого открытия. Тридцатилетний срок признания этого открытия неслучаен. В то время никто не мог и предположить, какие удивительные свойства имеются у отдельной группы сплавов. Да и сами свойства ещё не были в достаточной степени изучены.
Лишь значительно позднее выяснилось, что у некоторых сплавов при определённых условиях имеется структура – термоупругий мартенсит, отвечающая за удивительные свойства. Их суть в следующем: если изделие произвольной формы деформировать, а затем нагреть, изделие самостоятельно восстановит первоначальную форму. Эти свойства получили название «эффект памяти формы», а сплавы с такими свойствами стали называть сплавами с памятью.
Свойства группы таких сплавов объясняются особенностью их деформационного поведения. В то время из существовавших представлений о механизмах деформации твёрдых тел (сплавов) имелось только такое: полный возврат деформации — признак упругости, сохранение остаточной деформации после снятия приложенной нагрузки — признак пластичности. На деле сплавы с памятью не относятся ни к первым, ни ко вторым, но обладают одновременно признаками обоих видов деформации. Такую деформацию назвали неупругой.
Выяснилось, что эти сплавы имеют совсем иной механизм пластичности. Разная способность сплавов к деформации определяется разной реакцией их кристаллической решетки и дефектов её строения на изменение внешних и внутренних условий. У материалов с памятью акт пластичности осуществляется за счёт упругого двойникования, обратимого превращения и ряда других процессов (ещё окончательно не изученных), но без участия сдвига по плоскостям скольжения, как у обычных металлических материалов.
Создание сплавов с памятью формы
К концу 1970-х годов был открыт обширный класс металлических материалов, у которых акт неупругой деформации осуществляется за счёт структурного превращения. Хотя физическая сущность природы эффекта обратимой памяти до конца была не выяснена, физико-механические характеристики никелид титана, являющегося одним из представителей этой группы материалов, были неизвестны. Но уже на ранних стадиях его изучения Г.В. Курдюмов высказывал предположение, что этот материал может иметь значительное практическое применение.
В настоящее время освоен промышленный выпуск нескольких типов сплавов с памятью. Наиболее перспективными из них являются сплавы на основе Ni-Ti (никелид титана), а также сплавы, легированные медью (Ni-Ti-Cu), железом (Ti-Ni-Fe) и др. Наиболее дешевыми являются сплавы на основе меди: (Cu-Al-Ni), (Cu-Al-Zn) и (Cu-Al-Mn).
Интерес кафедры материаловедения, технологии производства и ремонта космических средств (в настоящее время — кафедра контроля качества и испытаний вооружения, военной и специальной техники Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского) к изучению свойств этого уникального материала возник в конце 70-х годов ХХ века, когда стало известно о существовании таких удивительных сплавов. Кафедрой было принято решение заняться изучением физико-механических характеристик никелид титана, возникло новое научное направление — исследование термомеханических характеристик материалов нового класса, обладающих эффектом памяти формы, в результате чего под руководством начальника кафедры профессора, доктора технических наук Н.С. Самойлова был выполнен ряд научно-исследовательских работ и получено пять авторских свидетельств СССР.
Экспериментальные работы на кафедре проводились по заказу и при участии НПО «Энергия» (г. Москва). В те годы по этим же вопросам НПО «Энергия» сотрудничало с лабораторией математики и механики Ленинградского государственного университета, возглавляемой профессором, доктором физико-математических наук В.А. Лихачевым. Кафедра исследовала прочность материалов, том числе сплавов с памятью.
Космический эксперимент «Софора»
В конце 80-х годов ХХ века НПО «Энергия» рассматривало вопросы создания платформ в открытом космическом пространстве. Объединение предложило кафедре и лаборатории Ленинградского государственного университета провести исследования возможностей использования материалов с эффектом памяти формы для сборки крупногабаритной металлической конструкции в условиях орбитального полёта. В ходе научных исследований установились научные связи кафедры и лаборатории, регулярно проводились совместные обсуждения исследований.
Большим научным достижением и практическим вкладом исследований стало участие этих организаций в космическом эксперименте «Софора» в июле 1991 года. Целью эксперимента была сборка стержневой фермы с использованием термомеханических соединений в качестве замков, выполненных из никелид титана в условиях открытого космоса, для установки двигателя системы ориентации на орбитальной станции «Мир».
Сотрудники кафедры разработали технологию сборки фермы и разработали приспособление (стапель) для её сборки в космосе. Стапель изготовили на учебно-опытном заводе Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. Сборку фермы в космосе успешно произвели лётчики-космонавты А.П. Арцебарский и С.К. Крикалёв.
Суть проведённого эксперимента заключалась в том, что стержневая ферменная конструкция в разобранном виде, состоящая из комплекта плотно пригнанных труб и соединительных муфт, в разобранном виде была доставлена на орбитальную станцию «Мир». Впервые в мире осуществлялась сборка стержневой конструкции, разворачиваемой в условиях открытого космоса, принципиально новым способом, предложенным НПО «Энергия», учёными Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского и Санкт-Петербургского государственного университета.
Идея эксперимента заключалась в использовании муфт из сплава никелид титана. Диаметр муфты заранее, в наземных условиях, увеличивался в размере, а на орбите космонавт её свободно надевал на стержень и производил её нагрев. В результате нагрева изменялось кристаллическое строение сплава и совершалась полезная работа без дополнительных усилий со стороны космонавта. Муфта как бы «вспоминала» форму, приданную ей в наземных условиях, диаметр её уменьшался и при этом создавалось необходимое усилие, обеспечивающее требуемый натяг для соединения стержней в местах их крепления между собой. Это позволило в условиях невесомости и безопорного пространства без использования мышечных усилий космонавта собрать ферму длиной 14,5 метров.
Ферма имела предельно простую конструкцию: 21 звено, каждое имело 4 муфты. Было осуществлено 84 механических соединения. Ферма была применена в качестве штатного элемента орбитального комплекса «Мир». В результате успешно проведённого эксперимента «Софора» на борту орбитального комплекса «Мир» научные разработки прошли успешную апробацию, а используемые в качестве замков термомеханические соединения из никелид титана подтвердили высокие технологические свойства, надёжность и простоту сборки.
Результат эксперимента уникален. Эксперимент занесён в Книгу рекордов Гиннеса. Сделанное открыло путь к реализации в будущем принципиально новых, широких программ освоения космоса, явилось основой для сборки крупногабаритных платформ и конструкций в космическом пространстве с целью использования их при создании научно-исследовательских и промышленных комплексов.
Литература:
Журнал МО РФ «Армейский сборник», № 2, 2023 г.
