Станислав Петрунин - Советско-французское сотрудничество в космосе

Рис. 7. Изменение угла А во время полета спутника «МАС-2»

Наряду с основной задачей, определением эффективности пассивной системы охлаждения, на спутнике «МАС-2» были продолжены работы по изучению поведения в условиях космоса тонких пленок из различных материалов, начатые еще во время полета «МАС-1».

Космическое материаловедение.25 марта 1979 г. на борту орбитальной станции «Салют-б» космонавты Владимир Ляхов и Валерий Рюмин начали цикл экспериментов по космическому материаловедению под общим названием «ЭЛЬМА». При этом на советском оборудовании испытывались материалы, подготовленные во французских лабораториях.

На ежегодном совещании в Ленинграде осенью 1976 г. советские и французские специалисты договорились о проведении экспериментов под общим названием «ЭЛЬМА» («Экспериментальное МАтериаловедение») на советских печах «Кристалл» и «Сплав», установленных на орбитальной станции «Салют-6». Подготовку материалов взяли на себя четыре французские лаборатории в Бордо, Медоне и Гренобле. Электропечь «Кристалл» способна обеспечить температуру до 1100 °C. В ней можно получить полупроводниковые материалы в результате действия четырех процессов: направленной кристаллизации, сублимации, газотранспортного переноса, в ходе движения растворителя. В этой печи, установленной внутри орбитальной станции, тепловой режим поддерживается автоматически — с помощью специального электронного блока. При этом работа оператора состоит только в загрузке и разгрузке контейнера с образцом материала.

Рис. 8. Температура в точке установки инфракрасного датчика на спутнике «МАС-2»

В электропечи «Сплав» технологический процесс осуществляется в условиях глубокого вакуума (10 –7— 10 –8мм рт. ст.), то есть вне орбитальной станции. Максимальная температура, получаемая в этой печи, достигает 990 °C.

Наличие двух печей и возможность проведения в них одного и того же эксперимента позволяют выяснить наиболее рациональные условия исследуемого технологического процесса. Всего в обеих печах было осуществлено 10 экспериментов по советско-французской программе «ЭЛЬМА»: 8 в печи «Кристалл» и 2 в печи «Сплав». Каждый из них носил название ФК или ФС (первая буква означает «французский», а вторая связана с названием печи).

Первые два эксперимента (ФК-1 и ФС-1) посвящены протекающей в условиях невесомости кристаллизации алюминия (с добавкой меди) и олова (с добавкой свинца). Материалы такого типа давно известны металлургам, но получение их однородных структур — задача чрезвычайно сложная. Часто при этом вместо однородных кристаллов возникают ячеистые или дендритные структуры. Как полагают, они вызваны воздействием конвекции, приводящей к перераспределению компонентов перед фронтом кристаллизации. Проведение эксперимента в условиях невесомости, приводящей к практическому отсутствию тепловой конвекции, позволяет выяснить, насколько справедливо это предположение.

Цель следующей группы экспериментов (ФК-2 и ФК-3) — получение новых магнитных материалов. Совсем недавно считалось, что наилучшими магнитными свойствами обладают никель и кобальт. Но в настоящее время в связи с использованием редкоземельных элементов появляется возможность получить качественно новые магнитные материалы. Создание материалов с повышенными магнитными характеристиками позволило бы заменить электромагниты в электродвигателях на постоянные магниты, что дало бы значительную экономию в потреблении электроэнергии. Постоянные магниты могут найти применение и в других областях техники.

Используемый в этих экспериментах магнитный материал неодим—кобальт (ФК-2) в принципе можно получить в условиях наземных лабораторий, но при этом его структура будет очень неоднородной. Другой материал, марганец—церий (ФК-3) в земных условиях получить не удается: материал разлагается на составляющие до процесса кристаллизации.

Следующая группа экспериментов — ФК-4, ФС-2 (получение кристаллов германия) и ФК-5 (получение кристаллов окиси ванадия) — посвящена изучению чрезвычайно важного процесса кристаллизации: из газообразного состояния. Если газ какого-либо вещества медленно охладить ниже точки плавления и затем в среду ввести кристалл того же вещества («затравку»), то за счет осаждающихся на кристалле частиц он будет расти. Существует и другой способ кристаллизации из газообразного состояния — путем ввода в газовую среду холодного тела (другого состава). Тогда на этом теле будет кристаллизоваться вещество из газовой фазы в точности так же, как иней на почве и на крышах домов в холодные осенние ночи.

Основная задача эксперимента ФК-6 — изучение влияния факторов космического полета на кристаллизацию полупроводников из жидкого состояния. Известно, что в невесомости жидкая масса принимает сферическую форму. При понижении температуры из этой массы образуется кристалл, который в принципе должен также иметь сферическую форму. Эксперименты, посвященные данной проблеме, проводились на космических аппаратах и раньше, но результаты получались различными. В частности, получение кристалла сферической формы было целью и советского эксперимента «Сфера», осуществленного на борту пилотируемой станции «Салют-5». Однако полученные образцы из сплава Вуда приняли форму более или менее удлиненную, со «стрелками» и были похожи на маленькие «ежики» (по выражению космонавта В. М. Жолобова).

Существует ряд возможных объяснений причин отклонения формы кристаллов от правильной сферы, но именно многочисленность таких объяснений требует настоятельной проверки и установления действительной причины явления. В эксперименте ФК-6 одновременно получали сферические кристаллы висмута, теллура, висмут—теллура и индий—сурьмы. Эти вещества в твердом состоянии находились в одном контейнере, который помещался в печь. При разогреве достигалось жидкое состояние этих веществ, которые в условии невесомости принимают форму сферы. В процессе охлаждения происходила кристаллизация образцов.

Исследованию кристаллизации из раствора были посвящены эксперименты ФК-7 и ФК-8. По мнению многих специалистов, материал Ga—As (галлий—мышьяк) представляет большой интерес как перспективный полупроводник. Используемый вместе с кремнием, он позволит получить фотоэлементы с повышенным коэффициентом полезного действия (до 25 %). Надежды специалистов связаны с возможностью получения более совершенного материала Ga—As в условиях космоса. Следует подчеркнуть, что аналогичный советский эксперимент проводился космонавтами Владимиром Коваленком и Александром Иванченковым. Небезынтересно будет сравнить результаты этих двух исследований.