Коганицкий Григорий. Методика формирования в космосе надувного рабочего модуля с внутренним защитным слоем из композитного материала, состоящего из искусственных волокон и водяного льда

Application

"Методика формирования в космосе надувного рабочего модуля с внутренним защитным слоем из композитного материала, состоящего из искусственных волокон и водяного льда"

В основе лежат физические принципы:

-- постоянного парциального давления пара при заданной температуре;

-- сублимации водяного пара в вакууме на физических объектах.

При подаче пара в губку из тонкорунного искусственного волокна (как например - нитей полиэтилена высокой плотности), пары воды перемещаются по градиенту температуры в сторону охлаждения, не зависимо от наличия и направления гравитации,.

Лед сублимируется на нитях, образуя, в начале сублимации, на каждой нити ледяной чехол, с пространством между нитями, заполненном переохлажденными парами воды.

1_5 ледяной композит, 1_5_1 пароводяная фаза, 1_5_2 кристаллы льда; 10 наддув водяным паром; 11 градиент температуры; 22 сброс тепла.

После того, как композитная губка нарастит достаточное количество льда, ее подвергают сжатию и дополнительному охлаждению, в результате чего, она превращается в однородный композитный материал высокой прочности.

По предварительным оценкам, прочность и способность поглощать радиацию средних энергий такой композитной губки толщиной три сантиметра с удельным весом 1-1.1 (до сжатия - пять сантиметров) может быть равна по этим параметрам оболочке из 6-8мм высококачественной стали.

Способность к поглощению радиации может быть увеличена за счет введения в губку (в сухом состоянии) высокодисперсного порошка сульфата бария.

Важная особенность такого композитного материала - его способность к саморемонту любых типов сколов и трещин, не нарушающих герметичность оболочки и способность самостоятельно формировать временную пробку при сквозном пробое оболочки в вакууме, если диаметр пробоины меньше 1/3 толщины композитного материала.

Модуль для космической станции или аппарата, сконструированный с использованием этой методики является трансформируемым и изменяющим объем после выполнения транспортировки, в процессе подготовки к эксплуатации.

Fig 2 модуль в рабочем состоянии.

Fig 3 модуль в транспортном состоянии

1 оболочка модуля; 2 стойки; 3 солнечная панель-теплообменник; 4 шлюзы; 5 аппаратный модуль; 6 растяжки; 7 - оболочка низкой прочности; Е разрез оболочки модуля

Модуль состоит из гибкого, в транспортном состоянии, и жесткого, в рабочем состоянии, прочного корпуса, на концах которого расположены шлюзовые камеры.

Внешняя оболочка прочного корпуса имеет магнитные свойства и по ней может передвигаться самоходный мини манипулятор на магнитных гусеницах.

В транспортном положении шлюзовые камеры служат термосами горячей вода и хранилищами рабочих субстанций.

Прочный корпус заключен в легкий корпус, низкой прочности, который работает только во время трансформации модуля из транспортного в рабочее положение.

После выполнения трансформации эта оболочка может быть разрушена.

Оба корпуса охватывает составной цилиндр из отдельных солнечных батарей, способных, выполнять роль теплоотводов для термолент, охлаждающих композит.

Цилиндр солнечных батарей крепится к прочному корпусу надувными стойками, выполненными по той же технологии что и прочный корпус.

В транспортном положении отдельные солнечные батареи сложены по принципу нераспустившегося цветочного бутона.

Переход из транспортного в рабочее положение происходит следующим образом (размеры даны только для демонстрации и сравнения).

Fig 4.

Подготовленный для вывода на орбиту модуль 1 складывается в компактный пакет и вакуумируется.

Легкий корпус 7 вакуумируется и, под давлением атмосферы, принимает форму "минимально объема", плотно охватывая прочный корпус.

Солнечные панели 3 собраны в два "бутона" и вдвинуты друг в друга.

Входные тамбура 4, служащие термосами для горячей воды и рабочих субстанций максимально вдвинуты внутрь пакета.

Fig 5.

После выхода на рабочую орбиту, модуль отделяется от носителя и выполняет наддув оболочки 7 газом низкого давления.

Предположительно, рабочее давление в оболочке 7, необходимое для первого этапа развертывания станции будет в пределах 0.2-0.3 ати.

Под действием избыточного давления в оболочке 7 она надувается, раздвигает шлюзы и солнечные панели, переводя их в рабочую позицию.

Fig 6

На заключительном этапе развертывания, модуль выполняет заполнение композита льдом, принимает заданную рабочую форму и необходимую жесткость конструкции.

Развертывание станции происходит следующим образом

Fig 7.

Станция имеет несколько коаксиально расположенных оболочек, которые условно можно разбить на две основные группы - цилиндр фото панелей-теплообменников 3, который обеспечивает энергетические потребности станции и необходимый для ее функционирования тепловой режим, и основной модуль 1.

Fig 7 E_B_C

Оболочка 7 является вспомогательной и служит только для развертывания станции и фото панелей под давлением газа 9.

Fig 7 E_B_1

При надувании оболочки 7 расправляются фотопанели и под действием стояков 2 закрепленных одним концом к прочному корпусу 1 и, через оболочку 7, к фотопанелям, , прочный корпус 1 частично расправляется.

Цилиндр фото панелей-теплообменников состоит из отдельных многослойных панелей. Каждая панель имеет слой солнечных батарей 3_1, слой полупроводниковых термолент 3_2 и теплоотражающую подложку 3_3.

Прочный корпус 1 является многослойным и состоит из: наружной герметичной оболочки 1_1; двух теплоотражающих оболочек 1_3; двух слоев теплоизоляции 1_4; волокнистой губки, из которой формируется композитный слой 1_5; внутренней герметичной оболочка 1_6

В транспортном положении все оболочки находятся в состоянии максимально плотной упаковки. Фотоэлектрические панели собраны в "бутон"

После наддува оболочки 7, солнечные панели занимают рабочее положение.

После того, как солнечные панели начали генерацию энергии для охлаждения волокнистой основы композита, начинается инжекция горячей воды 10 в вакуум внутренних слоев прочного корпуса и, как результат, его наддув водяным паром.

Fig 7 E_A.

После завершения формирования композитной оболочки прочного корпуса 1 и стояков 2, внутренний слой прочного корпуса надувается до рабочего давления и опресовывает композитный слой до рабочей толщины и, затем, термоленты охлаждают его до рабочей температуры.

Формирование композитного слоя происходит следующим образом

Fig 8 E_B_2_1

В межслойное пространство прочной оболочки 1 модуля, который уже был предварительно развернут наддувом вспомогательной оболочки 7, подается горячая вода 10.

Испаряясь в вакууме, она генерирует пар, парциальное давление которого зависит от температуры.

Одновременно с генерацией пара, термоленты 1_2 начинают охлаждать внешнюю сторону будущего композита, создавая внутри него градиент температуры 11 и, соответственно, градиент парциального давления, вдоль которого происходит перемещение молекул воды 1_5_1 -> 1_5_2 .

На начальном этапе температура композита меняется от 0 до -5*С.

/здесь и ниже, все численные значения указаны в демонстрационных целях и выбраны ориентировочно/

Нити композита начинают покрываться ледяным чехлом, между которыми находится переохлажденный водяной конденсат.

На этой стадии, композит представляет собой лед низкой плотности, армированный нитями основы - Фирн.

Fig 8 E_B_2_2

После окончания заполнения льдом губчатой основы композита, его температуру начинают понижать до -60*С, одновременно наращивая давление до уровня 8 на внутреннюю оболочку 1_6.

Fig 9 E_B_3

Под действием внешнего давления композит и окружающие его оболочки сжимаются в радиальном направлении и, по мере снижения температуры лед уплотняется, трансформируясь в Глетчерный лед высокой плотности.

Fig 9 E_B_3

После окончания формирования льда высокой плотности и стабилизации температуры по всему объему композита, давление внутри модуля поднимается до рабочего уровня 9.

Модуль переходит в режим "готовность к эксплуатации"

Используемая методика позволяет создавать орбитальные конструкции, форму оболочки которых можно изменять в процессе эксплуатации, адоптируя под новые требования.

Как уже указывалось выше, такой тип композитного материала обладает высокой ремонтоспособностью, в том числе и способностью к саморемонту.

При повреждении композита без нарушения герметичности корпуса - сколы и трещины - мелкие повреждения, после исчезновения источника напряжений, само ликвидируются за счет взаимной диффузии прижатых друг другу поверхностей.

Для ликвидации крупных повреждений, термоленты, расположенные около зоны повреждения, временно повышают температуру композита до пластичного состояния.

Ликвидация сквозных повреждений, нарушающих герметичность оболочки, выполняется следующим образом.

Fig10

Рассмотрим гипотетический случай сквозного пробоя оболочки микрометеоритом, в результате которого образовался наклонный канал диаметром 10мм.

Канал имеет стенки из оплавленного и разрушенного вещества оболочки и расширенное выходное отверстие.

Fig11

В результате пробоя, через композитный материал оболочки в космос начинает истекать внутренняя атмосфера 14 станции, имеющая температуру 20*С.

В результате прогрева воздухом композитного материала в зоне пробоя, он переходит в пластичное состояние и его нити начинают расправляться.

Расправленные нити 15 втягиваются потоком воздуха 14 в пробитый канал, частично перекрывая поток и создавая по длине канала разницу давления.

Fig12

Вода и частички льда фильтруются через нити и, по мере увеличения динамического сопротивления, начинают испаряться в зоне разрежения, снижая температуру втянутого в канал волокна композита 15.

Fig13

В результате такого охлаждения на волокнах и слоях оболочки начинают сублимироваться кристаллики льда17.

Под давлением потока воздуха, образовавшаяся губка из льда и нитей вдавливается в пробой, образуя в нем частично герметичную пробку15,18.

Инфильтрующиеся через пробку вода и лед 16 сублимируются на выходе из пробоя, дополнительно понижая температуру до установления динамического равновесия в области температур, примерно, минус 140-160*С.

К этому моменту, утечка воздуха через уплотненную пробку практически прекращается, не требуя принятия аварийных мер и давая экипажу достаточное время для устранения последствий аварии.

Чтобы полностью прекратить утечку и восстановить оболочку экипаж проводит следующие мероприятия.

Fig14

В пробоину вводится термоэлектрический зонд 19 и внутреннее отверстие заклеивается двухслойной (прочный слой + изоляция) самотвердеющей пробкой 20.

Зонд начинает подогреваться и вибрировать, смещаясь в результате этого к наружной оболочке.

Fig15

Достигнув внешнего теплоизолирующего слой, зонд переключается на охлаждение и вмерзает в ледяную пробку, компенсируя в этом месте поврежденную термоленту.

С помощью самоходного наружного манипулятора, экипаж заклеивает наружное отверстие самотвердеющей пробкой 20, прекращая сублимацию льда из пробоины.

Предложенная технология и базовый модуль на ее основе позволяют создать мобильную космическую станцию с ресурсом автономной работы 8-10 лет.

Как пример

Мобильная космическая станция карусельного типа с импульсными ионными двигателями.

1 жилой модуль; 2 водяная биосистема; 3 солнечные панели теплообменники; 4 теплообменники; 5 танки воды и топлива; 6 биозащита; 7 кассета импульсных ионных двигателей; 8 туннель оранжереи; 9 туннель грязных технологий; 10 изотопная батарея;11 шлюз; 12 основной рабочий модуль; 13 импульс ионных двигателей; 14 гибкий шлюз; 15 технологическая площадка.

Станция обеспечивается энергией от солнечных батарей и изотопной батареи/реактора.

Гравитация в жилом модуле 0.15- 0.2g. Экипаж 6-8 человек. Станция не имеет взаимно вращающихся переходов.

Двигатели ионные, работающие в импульсном режиме. Импульс выполняется в момент совпадения оси двигателя с осью движения. Двигатели собраны в отдельные пакеты, расположенные между теплообменниками. Топливо бромистый калий с транспортировкой к потребителю перегретой водой.

Биологический цикл замкнутый. Две независимые, внешние криль-водорослевые плантации и тоннель оранжереи. Циркуляция субстата плантации безнасосная.

Предположительно, станция сможет выполнить самостоятельный выход с эллиптической орбиты на геостационарную, выйти с нее в точку Лагранжа L1 и, затем, совершить полет к Марсу.

Комментарии: 2, последний от 04/05/2023. © Copyright Коганицкий Григорий (gert99@mail.ru) Размещен: 19/06/2016, изменен: 19/06/2016. 17k. Статистика. Статья: Изобретательство Иллюстрации/приложения: 18 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Этой идеей я заинтересовался еще в СССР. Четыре года назад начал прорабатывать эту тему для научно фантастического романа - "истинно арийский попаданец" .... потом, помаленьку дожевывал ее ради интереса. Сейчас, когда она стала актуальной, немного причесал и решил выложить на самоиздате

Коганицкий Григорий : другие произведения.