4. Описание космического эксперимента

1
УТВЕРЖДАЮ
Первый Заместитель генерального конструктора
РКК «Энергия» им. С.П.Королева,
академик РАН
__________________ В.П. Легостаев
«___» ___________ 2010 г.
НАУЧНО - ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «ХИМИЯ - ОБРАЗОВАНИЕ»
«Научно – образовательная демонстрация получения в условиях
микрогравитации конструкционных элементов заданной формы на основе
полимерных композиционных материалов»
1. Сущность исследуемых проблем
Проект
космического
эксперимента
«Химия-Образование»
разрабатывается совместно специалистами Ракетно-космической корпорации
«Энергия» им. С.П. Королёва, преподавателями и учащимися средней школы
№ 596 г. Москвы. Научно-методическое сопровождение проекта в части
подготовки и наземной отработки методик, а также распространения
результатов
КЭ
в
системе
образования
осуществляют
специалисты
Московской государственной академии тонкой химической технологии им.
М.В. Ломоносова, Международного учебно-научного центра «Космос» и
Государственного научного центра РФ - Института медико-биологических
проблем РАН. В качестве разработчика экспериментальных устройств
привлекается Научно-производственное предприятие «БиоТехСис».
Проблемы, исследуемые в научно-образовательном космическом
эксперименте «Химия-Образование», относятся к разделам школьных курсов
химии полимеров и физики, как входящим в общую программу среднего
образования, так и изучаемым факультативно учащимися старших классов в
2
школах с углубленным изучением химии, физики и информатики. В данном
космическом эксперименте предполагается в условиях отсутствия силы
тяжести продемонстрировать следующие химические и физические законы и
процессы:
1) технологическую возможность формирования полых оболочек и
конструкций из композиционных материалов и их отверждения
методами полимеризации;
2) однородность
распределения
жидкости
между
слоями
многослойной эластичной оболочки с получением полых тел со
стенками равной толщины без воздействия сил плавучести;
3) процессы передачи движений вязких жидкостей в узких каналах
многослойных эластичных оболочек.
4) динамику и особенности заполнения жидкостью межслойного
пространства формируемой оболочки полых тел.
На
практике,
в
земных
конструкционных
элементов,
композиционных
материалов
условиях
оболочек
и
получение
полых
осуществляется
листовых
конструкций
с
из
использованием
разнообразных технологических процессов в жидких средах. Поведение
растворов и расплавов полимеров в условиях действия силы тяжести в целом
достаточно просто и понятно, поскольку определяющими в этом случае
являются архимедовы силы (выталкивающие силы, силы плавучести),
внутренние силы (вязкость, поверхностное натяжение, капиллярные силы).
Однако
в
условиях
отсутствия
силы
тяжести
применение
используемых на Земле методов может оказаться весьма трудоемким,
технически сложным или дорогостоящим. Вместе с тем, получение
конструкционных элементов в виде оболочек и полых контейнеров из
композиционных
материалов
в
условиях
невесомости
может
быть
осуществлено относительно простым, неудобным для Земных условий
методом.
3
В эксперименте в условиях отсутствия действия сил гравитационной
природы демонстрируется возможность формирования полого контейнера из
исходной многослойной эластичной оболочки, между слоями которой
вводится жидкий полимер, а внутрь оболочки нагнетается воздух под
некоторым избыточным давлением. Оболочка снаружи ограничена сеткой
определяющей форму получаемого контейнера. Ожидается, что под
воздействием сил поверхностного натяжения жидкого полимера и давления
воздуха во внутренней оболочке полимер равномерно распределится в
промежуточном слое между оболочками. После отверждения полимера
стенка конструкции должна приобрести заданную жесткость и равную
толщину по всей площади.
Демонстрация технологической возможности получения оболочек и
полых конструкций из композиционных материалов методом полимеризации
в условиях невесомости представляет собой последовательность нескольких
технических операций, однако изучение процессов передачи движения
вязких жидкостей в узких каналах многослойных эластичных оболочек
является интересной теоретической задачей.
В земных условиях весьма сложно наглядно продемонстрировать
отсутствие проявления гравитационных сил плавучести и оседания, особенно
с однородным распределением жидкости по поверхности эластичной
оболочки, получением стенок оболочки равной толщины. В условиях
микрогравитации такой эксперимент должен быть очень наглядным.
Кроме того, изучение физических и химических процессов и явлений в
жидкостных средах, протекающих в условиях невесомости, может иметь
важное практическое значение для решения задач создания перспективных
конструкций непосредственно в космических условиях.
Эксперимент
позволит
получить
информацию
о
наглядном
наблюдении процесса распределения жидкости в форме полого тела со
стенками равной толщины, например, шара или другой геометрической
фигуры, без воздействия сил плавучести. Также будут получены модельные
4
экспериментальные данные о принципиальной возможности получения в
космических условиях полых конструкций из отверждаемых полимерных
композиционных материалов.
В последующих сеансах эксперимент позволит также провести
наблюдение и изучение химико-технологических процессов получения в
космических условиях армированных (например, металлическим порошком
или сеткой) оболочек различных форм.
В целом полученный экспериментальный материал планируется
использовать в научно - образовательных целях для наглядной иллюстрации
действия изучаемых физических и химических законов в условиях
микрогравитации и демонстрации получения в космосе полых конструкций
из полимерных материалов.
2. Краткая история и состояние вопроса
Использование ресурсов и возможностей пилотируемых космических
станций и кораблей в целях школьного образования уже давно стало одним
из основных направлений зарубежных космических программ. Так, ещё в
1973-74 годах в рамках программы полета американской орбитальной
станции «Скайлэб» было проведено 30 "школьных" экспериментов. Научнообразовательные эксперименты в форме «лекций из космоса», проводились
во время полетов американских орбитальных кораблей «Спейс Шаттл» и
советской орбитальной станции «Мир» (космонавтом А.А. Серебровым). В
рамках программ Европейского космического агентства на борту РС МКС
было проведено несколько образовательных экспериментов. Тем не менее, в
программе полета на РС МКС большинства зарубежных космонавтов
предусматривается проведение относительно простых образовательных
экспериментов, преимущественно медико-биологического и физического
характера. В программе космических научных исследований США на АС
МКС, а также в российской программе НПИ на РС МКС образовательные
эксперименты занимают приоритетное место и выделены в отдельное
5
направление. На РС МКС до настоящего времени выполнен
ряд
экспериментов по различным разделам школьного и высшего образования.
22 июня 2005 года было принято решение Координационного научнотехнического совета Федерального космического агентства по развитию
научно-образовательных экспериментов на РС МКС.
28 июня 2005 года утвержден план мероприятий по участию
Федерального космического агентства в образовательной деятельности
предприятий космической отрасли.
Космический эксперимент «Химия-Образование» является проектом,
реализуемым на борту российского сегмента Международной космической
станции в рамках научно-образовательных экспериментов.
3. Необходимость проведения эксперимента в космосе
Основными целями российской научно-образовательной программы
космических экспериментов являются:
1) использование российского сегмента Международной космической
станции
для
пропаганды
возможностей
космонавтики,
наглядной
демонстрации различных законов и явлений;
2) создание условий для привлечения молодежи к самостоятельной
научно-исследовательской
деятельности
под
руководством
ведущих
специалистов предприятий и организаций космической отрасли;
3) развитие у детей и подростков интереса к научно-техническому
творчеству, исследованию космоса, изучению истории и перспектив развития
космонавтики и ракетной техники;
4) предпрофессиональная подготовка и профессиональная ориентация
учащейся
молодежи
на
перспективные
программы
космических
исследований;
5) совершенствование
учебных
программ,
учебно-методических
пособий и расширение экспериментальной базы педагогической науки.
Поскольку космический эксперимент «Химия-Образование» посвящен
6
демонстрации
химических
и
физических
законов
в
условиях
микрогравитации, для его проведения необходимо обеспечить длительное
состояние невесомости. В наземных условиях (в падающей камере или в
самолете, летящем по баллистической траектории) невесомость может
имитироваться только в течение очень коротких промежутков времени.
Таким образом, эксперимент «Химия-Образование» полноценно может
быть выполнен только на борту Российского сегмента Международной
космической станции, где условия относительной невесомости существует
постоянно, с использованием имеющихся на ней необходимых ресурсов.
4. Описание космического эксперимента
Комплект научно-образовательной аппаратуры «Сфера» представляет
собой набор экспериментальных устройств для обеспечения выполнения на
борту РС МКС отдельных технологических операций:
- процесса заправки полимером многослойной оболочки,
- процесса наддува воздухом и развертывания оболочки заданной формы,
- полимеризации и получения образцов конструкционных элементов.
В 10-ти сеансах эксперимента «Химия-Образование» предполагается
продемонстрировать принципиальную возможность получения оболочек и
полых
конструкций
из
полимерных
композиционных
материалов
с
использованием следующих методов и рабочих составов:
1. Развертывание оболочки с контрольной жидкостью (например, с
глицерином);
2. С самоотверждающейся поликомпонентной смесью;
3. Со смесью отверждающейся фотополимеризацией;
4. С наполнителем полимера композиционным материалом (метод ПО).
Работа
экспериментальных
устройств
на
всех
технологических
операциях регистрируется путем видеозаписи и фотографирования.
7
5. Новизна и качественный уровень
В предыдущих зарубежных и отечественных научно-образовательных
космических экспериментах в основном демонстрировалось действие
фундаментальных
физических
законов
(законов
Ньютона,
законов
сохранения и т.п.) в хорошо известных и изученных явлениях. В
эксперименте
«Химия-Образование»
не
ставится
каких-либо
исследовательских задач. В эксперименте предполагается не только
продемонстрировать на простых примерах технологическую возможность
формирования
полых
оболочек
и
конструкций
из
композиционных
полимерных материалов, но и показать действие основных химических и
физических законов. Вместе с тем, в этом эксперименте предполагается
наблюдать и изучать процессы движения вязких жидкостей в каналах
многослойных оболочек.
В земных условиях весьма сложно наглядно продемонстрировать
отсутствие проявления гравитационных сил плавучести и оседания, которые
позволят получить наиболее наглядную и точную информацию о изучаемых
процессах. С этих точек зрения эксперимент «Химия-Образование»
отличается от предыдущих образовательных космических экспериментов
существенной новизной и намного более высоким качественным уровнем.
6. Ожидаемые результаты и их использование
В серии эксперимента предполагается продемонстрировать процесс
получения в условиях невесомости полых оболочек и конструкций из
полимерных материалов и показать действие основных химических и
физических законов, определяющих поведение вязких жидкостей. Помимо
регистрации качественной картины пространственного развертывания и
полимеризации оболочек, предполагается получить данные о процессах
движения вязких жидкостей в условиях невесомости.
В
результате
эксперимента
предполагается
показать
роль
в
демонстрируемых процессах сил поверхностного натяжения, влияние
8
вязкости жидкости, её поверхностно-активных свойств.
Космический эксперимент «Химия-Образование» является проектом с
новой постановкой образовательных задач для реализации на борту
Международной космической станции в рамках научно-образовательных
экспериментов.
Результаты эксперимента предполагается использовать в учебном
процессе для наглядной демонстрации возможности получения оболочек и
полых конструкций из композиционных материалов в реальных условиях
невесомости, а также для наглядной иллюстрации физических процессов в
механике жидкостей.
От образовательных учреждений:
От РКК «Энергия»,
им. С.П. Королёва:
Профессор МИТХТ
им. М.В. Ломоносова
Руководитель
научно-технического центра
____________В.А. Тверской
___________А.В. Марков
Директор школы № 596 г. Москвы
Начальник отделения
____________И.В. Мамбетова
___________В.П. Коношенко
Зам. директора школы № 596
Зам. начальника отдела
____________Е.В. Елизарова
___________О.В. Митичкин
Директор школы №185 г. Москвы
_______________О.В. Попова
Зам. директора школы №185
_______________Л.А. Сенина