В Нижегородском государственном техническом университете имени Р.Е. Алексеева ведутся прикладные исследования в области материаловедения, напрямую используемые в системах жизнеобеспечения космонавтов в открытом космосе. Разработки университета применяются в скафандрах серии «Орлан», обеспечивающих возможность выхода в открытый космос экипажей на Международной космической станции для работы.
В канун Дня космонавтики корреспондент информационного агентства «НТА-Приволжье» взяла интервью у доцента кафедры «Материаловедение, технологии материалов и термическая обработка металлов» института физико-химических технологий и материаловедения НГТУ Евгения Беляева, к котором он рассказал о вкладе российских научно-образовательных центров в развитие космической отрасли.
- Каковы основные направления исследований НГТУ в области материаловедения, которые имеют непосредственное отношение к космической отрасли? Какие ключевые достижения вы можете выделить?
По направлению, в котором я работаю, есть две основные космические тематики. Первое - это материалы для системы жизнеобеспечения космических скафандров. Второе направление - это нераспыляемые газопоглотители для мер времени высокой точности, которые применяются, в частности, в системе ГЛОНАСС на наземных станциях и на орбитальных станциях.
- Можете рассказать о том, какие конкретно материалы и технологии, разработанные в вашем университете, используются в скафандрах серии «Орлан»?
В скафандрах серии «Орлан» применяются материалы для системы жизнеобеспечения, которые используются в сублимационном теплообменнике. Основная их функция направлена на то, чтобы поддерживать температуру внутри скафандра на комфортном для космонавта уровне. В условиях открытого космоса проблема теплопередачи, а именно охлаждения, стоит очень остро, поскольку в космосе отсутствует передача теплоты конвекцией. Когда человек заходит в скафандр, он буквально попадает в «термос», теплота выделяемая космонавтом при работе никуда не уходит. На Земле при интенсивной работе человек потеет потом подует ветерок — и нам становится прохладнее, а в скафандре этого сделать нельзя, потому что ты находишься в «термосе», излишняя теплота быстро приведет к перегреву и потере работоспособности.
Благодаря нашим материалам, которые реализуют принцип сублимации, избыточная теплота сбрасывается за борт, и тем самым космонавт работает в комфортных условиях. Комфортная температура для человека в космосе такая же, как и на Земле - 22…24°C. Система жизнеобеспечения направлена на создание условий, аналогичных земным, в открытом космосе.
- Кака пористые материалы, которые разрабатываются в вашем университете, обеспечивают терморегуляцию и удаление влаги в условиях вакуума?
На кафедре Материаловедения активно развивается направление порошковой металлургии. Особенность нашего направления заключается в том, что мы формуем пористые перегородки методом холодной прокатки порошка в ленту. Мы получаем тонкие листы, способные пропускать через себя жидкость или газ.
Принцип работы прост: к такой перегородке подводится теплая вода, забравшая тепло от тела космонавта. Сквозь поры материала вода поступает в космическое пространство, где замерзает и тут же испаряется, тем самым унося избыточную теплоту - так реализуется принцип теплообмена.
Кроме того, наши материалы решают проблему влажности. Человек выдыхает влажный воздух, и если этот пар не собирать, стекло гермошлема неизбежно запотеет. Наши элементы эффективно удаляют этот пар. Излишняя влага сначала собирается специальным устройством, а затем наше второе изделие транспортирует её и выбрасывает.
- Как происходит процесс разработки новых материалов для космических систем? С какими основными проблемами вы сталкиваетесь при разработке материалов для космических систем?
Скафандр - это сложнейшее устройство, плод труда множества людей. Мы, как разработчики конкретного материала для космического скафандра, получаем техническое задание, в котором приводятся основные эксплуатационные свойства этих материалов. В техническом задании могут быть указаны размеры пор, их количество и распределение по размерам, а также характеристики, связанные с сопротивлением при движении газа или жидкости. Получив техническое задание мы приступаем к проектированию материала: подбираем размер частиц порошка и режимы его формирования и спекания. Далее проводится оптимизация свойств материалов. Полученные образцы тестируются, среди них выбираются наиболее подходящие. В какой-то момент становится понятно, что материал полностью соответствует техническим заданиям, и он уже переходит на стадию испытаний. Эта стадия является наиболее длительной и может занимать несколько лет, в результате чего будет принято решение, подходит материал или нет.
- Сколько лет может занимать вот этот весь процесс, от ТЗ до эксплуатирования уже в дальнейшем?
В реальности это может занять и 10 лет, и более. Пористыми материалами для космической отрасли наш университет занимается уже более 45 лет.
- Каковы возможности применения искусственного интеллекта, нейросетевых технологий и цифровизации в вашей работе?
Такие технологии буквально ворвались в нашу жизнь, и мы их, конечно, используем,. Например, при подготовке и разработке экспериментов. Можно применять искусственный интеллект как инструмент для оптимизации, обработки входных данных и построения цифровых двойников материала. Мы всё это делаем. Время идёт вперёд. Меняются сырьевые материалы, меняются требования к материалам скафандров. Если раньше космонавт выходил в открытый космос на несколько минут, то сейчас работают по восемь-десять часов. Всё это влияет на эксплуатационные свойства. Поэтому, материал постоянно совершенствуется и требует изменения свойств. Искусственный интеллект помогает нам в этом — это мощный математический инструмент, в том числе и для прогнозирования свойств.
- Как НГТУ готовит студентов и молодых специалистов для работы в космической отрасли? Какие программы или курсы вы предлагаете?
Могу сказать именно про нашу кафедру. Материаловедение — это прикладная наука, которая обеспечивает научно-технический прогресс. Ведь конструкторы-проектировщики, которые рисуют дизайн нового автомобиля, создают 3D-модели, множество чертежей и прочее, всё это остаётся лишь творческими задумками до тех пор, пока в чертеже не будет заполнена графа «материал». Вот эту графу «материал» заполняют наши выпускники. Они точно знают, из чего надо сделать, чтобы это служило долго и выполняло свои эксплуатационные свойства. В рамках обучения студентов мы проводим массу разных курсов. Один из них - это порошковая металлургия и современные композиционные материалы. На базе этих курсов студенты могут работать в области порошковых материалов. Другие курсы дадут возможность работать в области термической обработки, экспертизы материалов, проектирования материалов и т.д.
Наш «продукт» — это бакалавр или магистр, который является специалистом в области материаловедения и может работать как в космической, так и в металлургической отрасли или в термической обработке. То есть это достаточно универсальный специалист-материаловед.
- Что вас лично вдохновляет в работе над проектами, связанными с космосом, и как вы видите своё будущее в этой области?
Ну, во-первых, это дело, безусловно, очень почётное. Наш вуз, в моём понимании, занимает лидирующие позиции в области разработки материалов для систем жизнеобеспечения. Мне очень повезло заниматься этим. Я помню всех своих учителей, и со многими у меня очень хорошие отношения. Я чувствую ответственность и гордость за эти разработки, чувствую, что напрямую участвую в жизни страны.
Что касается разработок, сейчас в основном наши работы связаны с нашей орбитой. Но в каком-то далёком или ближнем году - мы не знаем, как получится - мы будем посещать и другие планеты с атмосферой, как наша Земля. В этом случае принципы сублимационного теплообмена уже не будут работать на таких планетах. Потребуются другие типы теплообменников, потому что скафандры все равно будут нужны. Например, можно предложить испарительные теплообменники, в них будут использоваться другие материалы, и мы будем готовы предоставить такие материалы
- Какие планы по дальнейшему развитию исследований в области материаловедения для космической отрасли?
Вообще космонавтика и авиация — это отрасли очень консервативные, с точки зрения жизнеобеспечения. Все правила, всё там написаны кровью. Если есть какой-то пункт, то надо делать именно так. Почему я говорил о том, что внедрение новых разработок может занимать и 10, и более лет? Прогресс сейчас заключается в подготовке материалов для другого типа испарительного теплообменника, и мы сейчас этим занимаемся.
Беседовала Полина Большакова (ИА «НТА-Приволжье»)