Задумывались ли вы когда-нибудь, как один крошечный узел может повлиять на жизнь человека, находящегося на орбите на расстоянии сотен километров от Земли? Когда мы слышим о космических технологиях, на ум сразу приходят огромные ракеты, марсоходы или сверхсовременные орбитальные станции. Однако за каждым из этих грандиозных проектов стоят тысячи деталей, на первый взгляд, совсем обыденных.
Казалось бы, обычный подшипник — настолько обыденная деталь, что мы редко обращаем на нее внимание в повседневной жизни. Но когда речь идет о сложных механизмах космических аппаратов или скафандре астронавта, именно от качества этих маленьких вращательных элементов может зависеть успех всей миссии. Ведь в суровом вакууме и при экстремальных перепадах температуры каждая, даже самая маленькая, деталь имеет решающее значение. Такие, казалось бы, простые и незаметные детали, как подшипники являются основой мобильности для астронавтов, а их ресурс является критически важным для безопасности человека на орбите. Именно поэтому даже самый простой узел превращается в сложную инженерную задачу, требующую коллективной работы многочисленных специалистов. В этой статье мы рассмотрим, какую большую и незаметную извне работу необходимо проделать инженерам, чтобы спроектировать подшипники для скафандров.
Ключ к разработке инноваций
Ранее в скафандрах применяли преимущественно подшипники из нержавеющей стали. Прототип подшипника из первых итераций скафандра Apollo A6L даже можно было купить на аукционе. Эти подшипники были слишком громоздкими, что значительно затрудняло движения астронавтов в ограниченном пространстве корабля. Тогда решили разработать специальные прототипы, которые бы удовлетворили требования миссии. Вариант использования нержавеющей стали имел свои преимущества, они действительно улучшали мобильность астронавтов в зоне жесткой ткани, находящейся под давлением, и служили надежными точками крепления для страховочных соединений. Однако при этом возник ряд проблем.
Во-первых, сталь имеет больший вес, что в космических полетах играет решающую роль: каждый лишний килограмм увеличивает расход топлива и усложняет систему жизнеобеспечения. Во-вторых, размещение страховочных соединений вызывало неравномерную нагрузку на обоймы подшипников, из-за чего возрастали внутренние напряжения и износ узлов. Все это затрудняло прогнозирование долговечности и поведения деталей при эксплуатации.
Проблема улучшения подшипников в космической среде заключается не только в их способности выдерживать экстремальные температуры и отсутствие гравитации, но и в учете химических факторов. Согласно результатам испытаний на воспламеняемость, титан в среде с чистым кислородом и высоким давлением не вызывал воспламенения*, однако при определенных условиях наблюдался усиленный износ деталей. Это указывало на потребность в дополнительных инженерных решениях — изменении покрытий, специальных смазочных материалах, а также более тщательном контроле взаимодействующих между собой поверхностей.
*Чтобы металл начал «гореть», нужны два главных условия: достаточно высокая температура и доступ кислорода. Когда металл нагревается до определенной температуры, начинается реакция окисления: металл активно реагирует с кислородом и выделяет при этом тепло и свет — это и есть процесс горения.
Однако такие риски не умаляют преимуществ титановых подшипников. Согласно оптимизационным исследованиям (ICES-2017-242), эта модернизация позволяет существенно снизить вес космического оборудования и скафандров, сэкономив около 10,4 кг (23 фунта) в каждом костюме без потери функциональности.
Применение и условия эксплуатации
В процессе разработки новых подшипников главное внимание уделялось именно скафандрам серии Z (Z1 и Z2), преимущественно для нижней части скафандра — в частности для моделей тазовых подшипников, а также для подшипника в зоне пояса. Они стали базой для испытаний и наработок по улучшению мобильности, модульности и эффективности систем жизнеобеспечения.
Впрочем, эти модели не были разработаны как финальные версии, а служили прототипами для исследования перспективных решений. Далее программа разработки NASA была сосредоточена на xEMU — уже более «завершенной» версии, которая должна стать ключевым элементом миссий «Артемида». Именно в xEMU реализовали немало инноваций, заложенных в Z-series, среди них — идеи о повышенной гибкости и усовершенствованной эргономике. Технологии и тестовые данные, полученные во время работ над Z1 и Z2, стали фундаментом для оптимизации новых подшипников в xEMU, а затем перешли к Axiom Space и Collins Aerospace.
Во время ходьбы по поверхности другой планеты или в свободном космосе с каждым движением механизмы циклически вращаются. Предыдущие версии подшипников демонстрировали повышенный износ, но одновременно стали удачной «стартовой площадкой» для создания новых, более износостойких деталей. При этом важно было сохранить основные геометрические и функциональные параметры для совместимости с уже имеющимися компонентами скафандра.
Чтобы определить предельные уровни нагрузок, исследователи использовали метод конечных элементов (Finite Element Analysis, FEA*) в сочетании с физическими испытаниями. На первом этапе (описанном в ICES-2016-60) тестировали три различных варианта диаметров шариков и форм канавок в титановых обоймах. Благодаря изменениям нагрузки и контролю контактного давления между шариком и обоймой удалось установить ориентир: если контактное давление не превышает 115% предела текучести титана**, подшипник с большой вероятностью выдержит нужное количество рабочих циклов.
*FEA — это способ «разбивки» сложной детали или конструкции на множество малых и более простых участков (элементов). Далее рассчитываем в каждом кусочке напряжения, деформации, перемещения и т.д. В итоге это дает нам возможность увидеть, где в конструкции могут возникать перегрузки, трещины или чрезмерные деформации, и сделать изменения в проекте, чтобы избежать повреждений и уменьшить вес или стоимость изделия.
**Гибкость металла — это его способность принимать новую форму, растекаясь или деформируясь, в зависимости от того, в каком состоянии (твердом или жидком) он находится.
Кроме поиска оптимальной геометрии, испытывались также различные материалы для шариков, покрытия для обойм и типы смазок. Лучшие результаты показали стальные шарики и смазки, которые уже использовались ранее, а вот перспективным покрытием для титановых компонентов стал метод импульсного плазменного азотирования*, значительно улучшающий износостойкость.
*Импульсное плазменное азотирование — это способ создать на поверхности металла сверхпрочный, износостойкий слой, «встраивая» туда атомы азота с помощью специального плазменного разряда с импульсами высокого напряжения.
Основной акцент заключался в том, чтобы повысить долговечность системы до 200 000 циклов — это то количество ходьбы, которое, по оценкам NASA, могут выполнять астронавты во время длительных миссий. Один «цикл» предполагает вращение подшипника на определенный угол (от 30° для пояса до 45° для тазобедренного узла) вперед и затем такое же движение в противоположном направлении. Поскольку эти углы были определены на основании реального поведения человека в скафандре, результаты испытаний максимально приближены к реальным нагрузкам.
Тестирование и отбор концептов
Разработчики испытали несколько подходов к модернизации подшипников, изменяя прежде всего размер шариков и высоту поверхности, чтобы снизить контактное давление. В исследовании (ICES-2017-242) ставилась цель уменьшить давление между шариками и обоймами до уровня ниже 160 ksi (около 1103 МПа*).
*Давление на дне Марианской впадины (≈11 км под водой) — около 108 МПа. То есть 1103 МПа — это примерно в 10 раз больше, чем давление в самой глубокой точке Мирового океана. Это показывает, насколько значительным может быть контактное давление в деталях, например, в подшипниках или других узлах с локальной нагрузкой.
Для этого применяли метод FEA, однако он имеет свои ограничения: слишком малые контактные зоны между шариком и дорожкой часто не определяются с достаточной точностью обычным программным обеспечением. Чтобы обойти эту проблему, инженеры создали особые модели с очень жесткими упругими элементами вместо шариков. Каждый контакт между шариком и дорожкой возвращает силовое значение, которое в дальнейшем преобразуется в показатель контактного давления с помощью уравнений Герца**.
**Представьте себе две детали, соприкасающиеся друг с другом с определенной силой F. Из-за того, что обе поверхности несколько упругие, они продавливаются друг в друга, образуя небольшое «пятно» контакта. Уравнения Герца отвечают на вопрос, сколько и как именно «вдавливаются» друг в друга две упругие поверхности при заданной нагрузке, и каким при этом будет максимальное давление и контактное пятно. Эти формулы широко применяют для расчетов нагрузок в подшипниках, зубчатых передачах, в машинах и механизмах, где важно не превысить допустимое контактное давление и избежать разрушения поверхностей.
Для проверки результатов вычислительного моделирования были проведены и физические измерения. В специально разработанные обоймы устанавливали пленку, которая меняла цвет под действием нагрузки, таким образом «визуализируя» пиковые контактные зоны. Полученное отображение затем анализировали с помощью программного обеспечения, которое определяло интенсивность нагрузки.
По итогам сравнения FEA и эксперимента выяснилось, что распределение сил обоими методами совпадает довольно хорошо, но физические измерения в целом фиксировали несколько более высокие пиковые нагрузки. Из соображений безопасности инженеры решили «подстроить» результаты расчетной модели под более высокие показатели, чтобы оставлять дополнительный запас прочности в реальных условиях. Далее каждую вариацию подшипника пересматривали относительно того, как изменятся контактные напряжения: станут ли они выше или ниже допустимых пределов.
В целом метод адаптации расчетных моделей к результатам испытаний — распространенное явление в инженерной среде. Особенно это полезно и релевантно для задач, где на объект расчета действуют сверхвысокие усилия различных типов под разными векторами одновременно. А значит построение точной математической модели может быть затруднено или занять месяцы расчета.
В процессе разработки усовершенствованной версии поясного подшипника был увеличен диаметр шарика с 6,35 до 9,53 мм, увеличена высота обоймы на 4,32 мм. Разница между первоначальной формой и усовершенствованной хорошо видна на картинке в сравнении.
Таким образом, благодаря увеличению высоты, диаметра шариков и ряду других усовершенствований удалось одновременно уменьшить вероятность преждевременного износа и обеспечить нужную совместимость с остальными элементами конструкции. Как можно увидеть, разработчики боролись за десятки миллиметра и грамма. Это яркий пример того, как инженерные решения принимаются с учетом тонкого баланса между массой, габаритами и механической прочностью, что имеет критическое значение для космических миссий.
Валидационные испытания и условия тестирования
После завершения испытаний для проверки надежности и долговечности усовершенствованных конструкций, в течение которых каждый подшипник выполнил 200 000 циклов «туда-обратно», детальный осмотр выявил почти полное отсутствие следов износа. Не было зафиксировано ни титановой стружки, ни пыли на поверхностях шариков или дорожек, что свидетельствует о надежной работе смазочной системы и эффективности покрытия методом импульсного плазменного азотирования.
В течение всего тестового цикла температура и крутящий момент оставались стабильными, без признаков перегрева или резких скачков, что подтверждает сохранение функциональности подшипников даже после значительной нагрузки. В конце концов, сравнение с «наследственными» вариантами конструкции показало значительное улучшение: в предыдущих моделях при аналогичных условиях эксплуатации наблюдался существенный износ и увеличение крутящего момента. На этот раз подшипники оказались весьма износостойкими, фактически без потери своих рабочих характеристик, что доказывает их готовность к использованию в сложных условиях космических миссий.
Как восстановить изношенный подшипник на Марсе?
Скафандры и другое оборудование, в частности системы с подшипниками, во время длительных экспедиций непременно будут подвергаться износу, особенно в суровых условиях пылевой марсианской атмосферы и частых внекорабельных выходов (EVA).
Одним из возможных решений этих проблем является 3D-печать непосредственно на поверхности Марса. Исследователи из Университета Мэриленда (College Park) и других научных учреждений сейчас экспериментируют с технологиями, позволяющими изготавливать жесткие элементы скафандров и их составляющие (например, подшипники и уплотнения) путем печати из металлического и полимерного «сырьевого» материала. В частности, проверяется, можно ли будет на месте «напечатать» запасные детали или даже целые пространственные механизмы — от спасательных элементов до сложных фрагментов жестких скафандров.
Однако изготовление или восстановление подшипника с помощью 3D-печати имеет свои вызовы. Как мы уже смогли убедиться, для нормальной работы этого узла необходима высокая точность, тщательная калибровка форм канавок и шариков, а также прочные и износостойкие материалы, способные выдержать резкую смену температур и возможную коррозию в агрессивной космической среде.
Ранние попытки «печатать» полностью рабочие подшипники выявили недостаточное разрешение большинства принтеров для формирования идеально гладкой поверхности шариков. Поэтому сейчас специалисты работают над сочетанием нескольких технологий: от точной печати внешних обойм до использования специальных вставок или отдельно напечатанных шариков из более твердых металлических сплавов.
Из всего рассмотренного видно, что подшипник — хоть и кажется «обыденной» мелочью — в космической среде требует высокоточной инженерной работы. Множество параметров и материальных нюансов (от веса и геометрии до устойчивости к экстремальным температурам и вакууму) превращают этот простой, на первый взгляд, узел в настоящий вызов для инженеров. И это лишь один из сотен, если не тысяч, «незаметных» элементов космической техники, которые обеспечивают безопасность и комфорт астронавтов, а также эффективность космических миссий.
За каждым успешным запуском, каждой функциональной системой и каждой надежной деталью стоят годы разработок, тестов и непрерывных улучшений. Инженеры, ученые, материаловеды, программисты, специалисты по аддитивным технологиям и другие эксперты объединяют усилия, тратя тысячи часов работы над одним лишь компонентом. И именно благодаря им человечество делает следующие шаги не только в изучении околоземного пространства, но и в подготовке к освоению Луны или Марса. Каждая такая «мелочь», оптимизированная и доведенная до совершенства, приближает нас к амбициозной цели стать межпланетным видом.
