Prototype this по-русски - выпуск 148. Дефектоскоп для Звезды
В очередной раз столкнувшись с проблемами модуля "Звезда" (микротрещины", задумался о возможности надежной диагностики и обнаружения утечек в корпусе корабля. И вот тут вот произошло переформулирование задачи.
Дело в том, что все материалы обладают магнитной проницаемостью. Любая микротрещина, а также нарушение структурной целостности материала приводит к локальному изменению магнитной проницаемости.
Если микротрещина настолько мала, что не производит достаточные акустические колебания при истечении воздуха для обнаружения акустическими методами, а расход настолько низкий, что не позволяет обнаружить место утечки по концентрации взвешенных частиц, то найти потенциальное место утечки можно только и исключительно методами дефектоскопии.
Теоретически, можно использовать ультразвуковой дефектоскоп. Однако это трудно исполнить в невесомости, возможно, вакууме, да еще и при условии наличия массивных конструкций, отражающих сигнал и обладающих собственными шумами. Да и ограничения по размеру выявляемых дефектов также имеют место. С другой стороны, используя подвижный щуп детектора звуковых колебаний, которым мы введем по поверхности, при условии акустического поля в материале, возможно определить скачок интенсивности при пересечении трещины, происходящий при пересечении трещины. Однако для работы на больших площадях такой метод применим плохо, так как требует больших трудозатрат.
С другой стороны, любая трещина должна иметь выход наружу, а любые внутренние дефекты в толще материала должны локально менять магнитную проницаемость. Таким образом, у нас возникает возможность производить поверхностную и глубинную магнитную дефектоскопию, опираясь на изменения в магнитной проницаемости материала. При условии постоянного магнитного поля в толще материала дефекты в глубине, и особенно, поверхностные дефекты, могут быть обнаружены с помощью регистрации параметров магнитного поля.
Поверхности материалов никогда не бывают идеальными. Не исключение и корпус корабля или космической станции. Однако наличие трещины создает анизотропное по направлению съема данных, как минимум, изменение в магнитном поле в силу нарушения величины магнитной проницаемости материала в трещине. И такое изменение может быть зафиксировано и выделено методами математической обработки на фоне изотропных "шумов".
Современные технологии, аналогичные применяемым в 3Д-печати, например, позволяют осуществлять точное позиционирование и прецизионное перемещение рабочих органов на больших пространствах и вдоль поверхностей сложной формы. Таким образом, можно автоматизировать дефектоскопические измерения прямо во время полета, освободив космонавтов. Более того, это позволяет проводить материаловедческие исследования работы материалов во время срока службы модуля в космосе, и вести мониторинг механически напряженных элементов конструкции.
Если говорить о специфике поражения модуля Звезда, то представляется любопытной идея использовать специализированный лабораторный модуль для корабля "Прогресс". Будучи пристыкованным к модулю Звезда, при вакуумированном переходном отсеке, такой модуль может выдвинуть манипулятор с датчиками, и в автономном режиме обследовать материал внутренней стенки переходного отсека. Такой же, точнее подобный, комплекс может обследовать и наружную стенку корпуса.
Исследование процессов старения материалов в условиях космического полета, как на материале корпуса модуля, так и на материале специально установленных и предварительно напряженных образцов, может иметь самостоятельное значение для космонавтики. При этом могут быть разработаны дефектоскопические методы и аппаратура, пригодные для обнаружения мест потери герметичности в рабочем цикле станции.
Теоретически, одной из причин потери герметичности сплавов в космосе со временем может быть изменение содержания газа в материале в процессе диффузии и истечение газов в вакуум. При этом возможно изменение механических параметров материала, к примеру изменение размеров зерен кристаллизации, а также появление внутренних напряжений и даже разрывав в процессе нормальной эксплуатации элементов конструкции в номинальном режиме. Насколько мне известно, этот процесс не исследовался. Учитывая малую толщину обшивки, и большую поверхность эмиссии в вакуум, данный процесс должен проходить достаточно интенсивно - куда интенсивнее, нежели на Земле. В этом смысле материаловедческие исследования, проходящие в автоматическом режиме на протяжении срока жизни станции, являются единственно возможным решением, позволяющим набрать необходимый опыт для создания долгоживущих конструкций.
Еще одной причиной потери герметичности может быть акустическое поле станции. Обшивка станции представляет из себя тонкую мембрану с высокой акустической проводимостью. При этом выход звука в вакуум исключен, и обшивка представляет из себя автономную колебательную систему без потерь энергии наружу. В таких условиях возможно формирование общей усталости материала. Если акустическая нагрузка от вентиляторов системы жизнеобеспечения и охлаждающих аппаратуру вентиляторов, колебаний станции, возникающих из-за маневров, и так далее, действительно является фактором, создающим общую усталость материала, то тогда любой дефект в материале, являясь точкой концентрации напряжений акустической нагрузки, может приводить к образованию трещин. И в этом смысле методы дефектоскопии, позволяющие постоянный контроль в процессе эксплуатации, представляются практически актуальными.
Исходя из всего перечисленного, модуль Звезда представляет из себя уникальную лабораторию, позволяющую разрабатывать методы поверхностной и глубинной дефектоскопии материалов, и учитывая немагнитность материала обшивки модуля, мне представляется, что наиболее интересным здесь является использование магнитной проницаемости материала.
.