background image
четверг
k
102, 9 сентября 2010 г.
ПОИСКИ, НАХОДКИ, РАЗМЫШЛЕНИЯ, ИЗОБРЕТЕНИЯ
Через тернии к звздам!
В ы п у с к 72
g o r o d n a u k i @ b k . r u
Редактор выпуска Н.Я. ДОРОЖКИН, научный обозреватель Калининградской правды
Город
Город
Город науки
науки
науки
Как известно, невесомость очень
влияет на труд и повседневную жизнь
космонавтов. Взять хотя бы бесконт
рольный дрейф различных предметов
внутри и снаружи орбитальной стан
ции Как с ним бороться? В этой свя
зи поставлена задача обеспечения воз
можности оперативной фиксации всей
окружающей космонавта предметной
среды, а также рационализации сбо
рочных операций при дооснащении
орбитальной станции (ОС) и ремонт
ных работах. Для быстродействующе
го соединения и скрепления тврдых
тел в условиях космического полта
используются различные способы и
средства. Например, для сборки/сты
ковки модулей ОС между собой и с
космическими кораблями задейство
ван сложный электромеханический аг
регат. Для разных объектов использу
ются также механические, адгезион
ные, электростатические, пневмова
куумные способы и эластичные неме
таллические материалы. Вполне есте
ственно было обратиться и к явлению
магнетизма. Магнетизм и невесомость
как бы существуют во Вселенной по
чти в соответствии с диалектическим
законом единства и борьбы противо
положностей.
Особенностью постоянных магнитов
является их способность стабильно и
практически неограниченно долго хра
нить однажды запаснную энергию,
находясь в широком спектре окружаю
щих условий, то есть служить источни
ком магнитного поля без притока элек
трической энергии. В этом качестве
постоянные магниты находят приме
нение в радиоэлектронике, электротех
нике, связи и других областях.
А применительно к поставленной
задаче?
Здесь представляют интерес уст
ройства, в которых магнитная энергия,
запаснная в системе с постоянными
магнитами, используется для созда
ния механической силы или выполне
ния механической работы. К ним отно
сятся магнитные плиты, замки, муфты,
сепараторы, подъмные устройства и
другие известные решения. Их приме
нение стало возможным благодаря со
зданию новых магнитных материалов,
особенно, сплавов кобальта и редкозе
мельных элементов. Они отличаются
большой коэрцитивной силой и линей
ной зависимостью плотности магнит
ного потока В от напряжнности маг
нитного поля Н. Произведение (ВН)
max
выражает собой магнитную энергию,
создаваемую в магнитной системе еди
ницей объма постоянного магнита.
Чем больше величина (ВН)
max
,тем мень
Магнит в невесомости
Магнит в невесомости
ше необходимые размеры магнита и
всей системы. В частности, постоян
ные магниты на основе SmCo
5
во
всех отношениях наиболее эффектив
ный материал для силовых магнитных
систем (СМС), которые могут исполь
зоваться в космических условиях.
В системе с постоянным магнитом
величина силового воздействия зави
сит от типа материала, размеров маг
нита и скорости изменения рабочего
зазора. За исключением характери стик
материалов магнита и магнитопрово
дов, все параметры, определяющие
магнитную систему, являются геомет
рическими. Значит, если выбор мате
риала не вызывает затруднений, то
проектирование СМС сводится к опре
делению е оптимальной конфигура
ции. Очевидный признак оптимально
сти магнитной системы минималь
ные зазоры в конструкции. Как прави
ло, величина рабочего зазора диктует
ся условиями поставленной задачи, а
технологические зазоры могут быть
уменьшены применением технических
средств и не должны превышать в сум
ме 0,1 0,15 мм.
Чем привлекательны СМС для кос
мической техники?
Их достоинства высокая на
джность и возможность создания
больших усилий без потребления энер
гии от внешних источников. При необ
ходимости действие усилия может быть
прекращено благодаря коммутации
магнитного потока внутри системы с
минимальными затратами энергии.
Силовое взаимодействие в магнитных
системах замечательно тем, что не обя
зателен вещественный контакт между
взаимодействующими частями конст
рукции. Это позволяет создавать транс
портные системы, парящие над полот
ном дороги, устройства для передви
жения по вертикальным и потолочным
ферромагнитным поверхностям. В слу
чаях, когда исключено применение
электрической энергии ввиду повышен
ной взрывоопасности, постоянный маг
нит может оказаться единственным
средством решения задачи. Основные
требования, предъявляемые к косми
ческим магнитно фиксирующим сис
темам, соответствие функциональ
ным возможностям космонавта в ска
фандре в условиях невесомости, бе
зопасность, эффективность и мини
мальные массо габаритные характе
ристики.
Каково магнитное поле вокруг
магнитно силовых устройств?
Исследования показали: сфери
ческая поверхность с центром в гео
метрическом центре магнитной систе
мы, в пределах которой измеренное
значение напряжнности магнитного
поля не превышало 40 э, определяется
радиусом R = 58 мм. Магнитный фон в
момент измерения составлял + 0,4 э.
На расстоянии 250 300 мм от повер
хности R поле, создаваемое магнитной
системой исследуемого устройства,
равно фоновому значению, а на рас
стоянии 500 мм практически отсутству
ет. Экспериментальные оценки под
твердили: влияние такого магнитного
поля на радиоэлектронные приборы и
слаботочные цепи отсутствует.
А на человеческий организм?
Вс живое строго адаптировано к
магнитной компоненте среды обита
ния. Естественное магнитное поле на
широте Москвы составляет около 0,5 э.
Поле постоянных магнитов самый
безопасный вид электромагнитного
поля из всех возможных. Его биотроп
ные параметры напряжнность, эк
спозиция, локализация, вектор, гради
ент. Когда геометрические размеры
источника поля небольшие, воздей
ствие поля на человека имеет весьма
ограниченный характер, а вектор и гра
диент могут не приниматься во внима
ние. Таким образом, основные биотроп
ные параметры для СМС с небольшими
постоянными магнитами напряжн
ность и время воздействия поля на
человека. В повседневной жизни чело
век имеет дело с полями, явно превос
ходящими значение геомагнитного
поля. В предложенных же СМС магнит
ное поле локализовано, а величины
возможных напряжнностей много
ниже адаптационных значений для че
ловека (100 э).
Олег Семнович, на
сколько сложно проектиро
вание СМС?
Как говорится, хоро
ший вопрос! Интерес к при
менению СМС в технике по
стоянно расширяется, а ка
жущаяся простота приводит
к тому, что зачастую за про
ектирование берутся специ
алисты, недостаточно зна
комые с вопросами их рас
чта и конструирования. В
результате большие труд
ности в обеспечении эффек
тивности устройств. Здесь
важно понимать, что СМС
есть частный случай электромехани
ческой системы с магнитным полем. Я
могу об этом судить, поскольку сам
занимался разработкой оснастки с ис
пользованием СМС для сварочных по
луавтоматов, участвовал в разработке
магнитошагающего сварочного агре
гата для вертикальных и потолочных
швов, а также установки и технологий
для магнитно импульсной обработки
материалов. Этот опыт позволил до
биться успеха в разработке СМС для
космических условий, получен целый
ряд авторских свидетельств на изобре
тения
Как американцы продвинулись в
этом вопросе?
Странно, но они вообще прошли
мимо возможности использовать по
стоянные магниты для аналогичных це
лей. Более того, знакомясь с нашими
разработками, не всегда сразу воспри
нимали их как простое и оригинальное
Космическая фантастика предсказывала, что в невесомости гравитацию
заменят магниты, но реальная космонавтика это не подтверждает. По
мнению некоторых специалистов, в окружающей космонавта среде почти
нет ферромагнитных материалов, а влияние магнитного поля на человека и
приборы вызывает опасения. Да и сложно управлять усилием постоянных
магнитов из за малости их масс и габаритов. Однако вновь созданные
магнитосодержащие устройства свободны от указанных недостатков и
обладают особыми преимуществами по сравнению с любыми другими
структурами. Об этом рассказывает ведущий научный сотрудник РКК Энер
гия им. С.П. Королва доктор технических наук, профессор Олег Цыганков.
решение задач фиксации. Идея, факти
чески лежащая на поверхности, реали
зовалась только в одном месте. Рабо
тоспособность в натурных условиях на
ших разработок (рис. 1) подтверждена
экспериментом ИСТОК 3, проведн
ным на ОС Салют 7 с экспонировани
ем в открытом космосе семейства маг
нитосодержащих устройств в течение 9
месяцев в 1985 1986 годах.
Практически принципиально новый
класс устройств обладает присущими
только им преимуществами, как то:
автоматизация процесса стыковки (са
мостыковка) на основе магнитного при
тяжения; быстродействие; закрепление
объекта в заданном положении; осу
ществление подвижной связи (типа
сферического или цилиндрического
шарниров) между соединяемыми эле
ментами; независимость от внешних
источников энергии; практическая без
отказность.
Какие типы устройств созданы
для конкретных целей?
Например, для установки телека
мер, светильников, приборов предназ
начен сферический магнитно механи
ческий замок (рис. 2), где: 1 кольце
вой магнит; 2 сплошной кольцевой
магнитопровод; 3 составной магни
топровод из 4 подвижных сегментов; 4
немагнитный экран; 5 ярмо сфе
рической формы диаметром 35 мм из
магнитомягкого материала, скреплн
ное с устанавливаемой сборочной еди
ницей. При стыковке ярмо 5 втягивает
ся силами магнитного поля внутрь маг
нитной системы и самоустанавливает
ся. Те же магнитные силы подтягивают
элементы составного магнитопровода
3 к ярму 5 выше экватора последне
го (наподобие диафрагмы фотоаппа
рата) и замыкают его механически.
Размыкание замка осевым усилием без
штатного отключения может быть осу
ществлено только разрушением конст
рукции нагрузкой более ~ 400 кгс.
С целью увеличения тяговых харак
теристик устройства разработана кон
струкция с двумя последовательно рас
положенными кольцевыми магнитами,
разделнными магнитопроводом. Та
кой стыковочный узел применн для
присоединения к орбитальной станции
космонавта с индивидуальной установ
кой перемещения (рис. 3).
Разработаны устройства для разме
щения и фиксации инструментов, кре
пжных изделий и других элементов
технологической среды; сборки стер
жне трубчатых конструкций; фиксации
космонавта в заданной рабочей пози
ции; фиксации экспонируемых объек
тов. Комплект из двух магнитосодер
жащих дисков обеспечивает бескон
тактное дальнодействие с зазором 10
мм, что позволяет фиксировать, ори
ентировать по азимуту и перемещать
по неферромагнитной поверхности эк
спонируемые снаружи ОС объекты че
рез гермооболочку и слой теплоизоля
ции. Имеются также эксперименталь
ные конструкции самоориентирующих
ся полуразъмов электросоединителей.
Какие устройства используются
при сборке конструкций?
На станции Мир для перехода
экипажа с базового блока на модуль
Квант уже в полте были установле
ны трап и дополнительный поручень;
на этом же модуле экипаж смонтиро
вал фермы для установки солнечных
батарей с приводами, которые эксплу
атировались в течение девяти лет до
прекращения полта. Эти
конструкции были установ
лены и закреплены на маг
нитных замках. Когда на МКС
были доставлены пакеты
дополнительных противоме
теоритных панелей, для пе
реноса из отсека шаттла на
российский сегмент экипаж
закреплял их на транспор
тировочной структуре тоже
посредством магнитно ме
ханических замков.
Как могут использо
ваться СМС для перемеще
ния космонавта в невесомо
сти?
Для ходьбы по тропе
из тонколистового ферромагнитного
материала могут быть использованы от
ключаемые СМС, смонтированные на
обуви скафандра; отключение произво
дится путм постепенного отсоедине
ния одного из полюсов. Такой подход
представляется вполне реализуемым в
условиях ничтожных значений гравита
ции на Фобосе или астероидах.
Будет ли расширяться использо
вание СМС в космосе?
Несомненно. Перспективы их при
менения можно предвидеть не только
при g=0, но и в условиях 0,16g на Луне
и 0,38g на Марсе при формировании
инфраструктуры на этих небесных те
лах: в сооружениях, на транспортных
магистралях, энергокоммуникациях,
при сборке солнечных батарей боль
шой площади, крупных астрономичес
ких приборов, систем связи и других
работах.
Беседовал Николай ДОРОЖКИН
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Фото Николая ДОРОЖКИНА