Космическая технология и производство - Страница 2

Говоря о невесомости, авторы некоторых популярных статей, посвященных космической технологии, пользуются терминами «микрогравитация», «мир без тяжести» и даже «гравитационная тишина». Поскольку в состоянии невесомости отсутствует вес, но присутствуют силы тяготения, эти термины следует признать ошибочными.

Рассмотрим теперь другие условия, существующие на борту космических аппаратов при их полете вокруг Земли. Прежде всего это глубокий вакуум. Давление верхней атмосферы на высоте 200 км около 10^–6 мм рт. ст., а на высоте 300 км — около 10^–8 мм рт. ст. Такой вакуум умеют получать и на Земле. Однако открытое космическое пространство можно уподобить вакуумному насосу огромной производительности, способному очень быстро откачивать газ из любой емкости космического аппарата (для этого достаточно ее разгерметизировать). При этом, правда, необходимо учитывать действие некоторых факторов, приводящих к ухудшению вакуума вблизи космического аппарата: утечка газа из его внутренних частей, разрушение его оболочек под действием излучения Солнца, загрязнение окружающего пространства вследствие работы двигателей систем ориентации и коррекции.

Типичная схема технологического процесса производства какого-либо материала состоит в том, что к исходному сырью подводится энергия, обеспечивающая прохождение тех или иных фазовых превращений или химических реакций, которые и ведут к получению нужного продукта. Наиболее естественный источник энергии для обработки материалов в космосе — это Солнце. На околоземной орбите плотность энергии излучения Солнца составляет около 1,4 кВт/м², причем 97 % этой величины приходится на диапазон длин волн от 3 · 10³ до 2 · 10⁴ Å. Однако непосредственное использование солнечной энергии для нагрева материалов связано с рядом трудностей. Во-первых, солнечную энергию нельзя использовать на затемненном участке траектории космического корабля. Во-вторых, требуется обеспечивать постоянную ориентацию приемников излучения на Солнце. А это, в свою очередь, усложняет работу системы ориентации космического аппарата и может повести к нежелательному увеличению ускорений, нарушающих состояние невесомости.

Что касается других условий, которые могут быть реализованы на борту космических аппаратов (низкие температуры, использование жесткой компоненты солнечной радиации и т. д.), то использование их в интересах космического производства в настоящее время не предусматривается.

Агрегатные и фазовые состояния вещества. При рассмотрении особенностей поведения вещества в космических условиях часто используются такие понятия, как агрегатное и фазовое состояния, фаза и компоненты. Дадим определение этих понятий.

Агрегатные состояния вещества различаются по характеру теплового движения молекул или атомов. Обычно говорят о трех агрегатных состояниях — газообразном, твердом и жидком. В газах молекулы почти не связаны силами притяжения и движутся свободно, заполняя весь сосуд. Структура кристаллических твердых тел характеризуется высокой упорядоченностью — атомы расположены в узлах кристаллической решетки, возле которых они совершают лишь тепловые колебания. В результате кристаллические тела имеют строго ограниченную форму, а при попытке каким-то образом изменить ее возникают значительные упругие силы, противодействующие такому изменению.

Наряду с кристаллами известна и другая разновидность твердых тел — аморфные тела. Главная особенность внутреннего строения аморфных твердых тел — отсутствие полной упорядоченности: лишь в расположении соседних атомов соблюдается порядок, который сменяется хаотическим расположением их друг относительно друга на более значительных расстояниях. Наиболее важный пример аморфного состояния — это стекло.

Тем же самым свойством — ближнего порядка в расположении соседних атомов — обладает вещество в жидком агрегатном состоянии. По этой причине изменение объема жидкости не вызывает в ней возникновения значительных упругих сил, и в обычных условиях жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится.

Если вещество состоит из нескольких компонентов (химических элементов или соединений), то его свойства зависят от относительной концентрации этих компонентов, а также от температуры, давления и других параметров. Для характеристики конечного продукта, образующегося при таком комбинировании компонентов, используется понятие фазы. Если рассматриваемое вещество состоит из граничащих друг с другом однородных частей, физические или химические свойства которых различны, то такие части называются фазами. Например, смесь льда и воды представляет собой двухфазную систему, а вода, в которой растворен воздух, — однофазную, потому что в этом случае отсутствует граница раздела между компонентами.

Фазовое состояние — понятие, основанное на структурном представлении термина «фаза». Фазовое состояние вещества определяется только характером взаимного расположения атомов или молекул, а не их относительным движением. Наличие дальнего порядка (полная упорядоченность) соответствует кристаллическому фазовому состоянию, ближнего порядка — аморфному фазовому состоянию, полное отсутствие порядка — газообразному фазовому состоянию.

Фазовое состояние не обязательно совпадает с агрегатным. Например, аморфному фазовому состоянию соответствует обычное жидкое агрегатное состояние и твердое стеклообразное состояние. Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых — кристаллическое и аморфное (стеклообразное).

Рис. 2. Диаграмма р—Т равновесия однокомпонентной системы

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или превращением. Если две или больше различных фаз вещества при данных температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, то говорят о фазовом равновесии. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма фазового равновесия однокомпонентной системы, построенная в координатах давление (р) — температура (T). Здесь изобара (т. е. прямая постоянного давления) а—а соответствует прямым переходам твердое тело — жидкость (плавление и затвердевание) и жидкость — газ (испарение и конденсация), изобара с—с — переходу твердое тело — газ (сублимация), а изобара в—в — сосуществованию всех трех фаз в так называемой тройной точке, при определенных значениях р и Т.

Влияние невесомости на жидкость. Как влияет тяготение на поведение вещества в различных агрегатных состояниях? В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, и сила тяготения не может оказать существенного влияния на процессы, происходящие в этом состоянии.

На процессы в газах эта сила может повлиять более значительно. Известно, например, что в условиях неравномерного нагревания различных слоев газа в атмосфере возникает под действием силы тяготения свободная конвекция, т. е. упорядоченный обмен газа между этими слоями. В условиях невесомости этот эффект может не возникнуть.

Но особенно сильное воздействие сила тяготения оказывает на жидкость. При переходе к невесомости в жидкости исчезает сила Архимеда, действующая на компоненты разной плотности и приводящая к их разделению, изменяется характер конвекционных течений, возрастает относительная роль межмолекулярных взаимодействий в жидкости и становится возможным ее свободное удержание вне сосуда (явление левитации). Рассмотрим по этим причинам подробнее процессы, происходящие в жидкости.

Как и в газе, в жидкости молекулы не сохраняют постоянного положения, а за счет тепловой энергии перемещаются с места на место. Если в каком-либо месте жидкости преобладают частицы одного сорта, то за счет более частых столкновений между собой они постепенно переходят в зону, где их концентрация меньше. Этот процесс называется диффузией. Вследствие диффузии за время t происходит смещение частиц на расстояние х = (2Dt)^1/2, где D — коэффициент диффузии. Если рассматривать частицы как сферы с радиусом r, то D = W · (πηr)^–1. Здесь W — тепловая энергия частиц, η — вязкость жидкости, которая сильно зависит от ее температуры. Когда жидкость охлаждается, то вязкость возрастает и соответственно замедляются процессы диффузии.