УТВЕРЖДАЮ |
Первый Заместитель генерального конструктора РКК «Энергия» им. , академик РАН |
__________________ |
«___» ___________ 2010 г. |
НАУЧНО - ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «ХИМИЯ - ОБРАЗОВАНИЕ»
«Научно – образовательная демонстрация получения в условиях микрогравитации конструкционных элементов заданной формы на основе полимерных композиционных материалов»
1. Сущность исследуемых проблем
Проект космического эксперимента «Химия-Образование» разрабатывается совместно специалистами Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. , преподавателями и учащимися средней школы № 596 г. Москвы. Научно-методическое сопровождение проекта в части подготовки и наземной отработки методик, а также распространения результатов КЭ в системе образования осуществляют специалисты Московской государственной академии тонкой химической технологии им. , Международного учебно-научного центра «Космос» и Государственного научного центра РФ - Института медико-биологических проблем РАН. В качестве разработчика экспериментальных устройств привлекается Научно-производственное предприятие «БиоТехСис».
Проблемы, исследуемые в научно-образовательном космическом эксперименте «Химия-Образование», относятся к разделам школьных курсов химии полимеров и физики, как входящим в общую программу среднего образования, так и изучаемым факультативно учащимися старших классов в школах с углубленным изучением химии, физики и информатики. В данном космическом эксперименте предполагается в условиях отсутствия силы тяжести продемонстрировать следующие химические и физические законы и процессы:
1) технологическую возможность формирования полых оболочек и конструкций из композиционных материалов и их отверждения методами полимеризации;
2) однородность распределения жидкости между слоями многослойной эластичной оболочки с получением полых тел со стенками равной толщины без воздействия сил плавучести;
3) процессы передачи движений вязких жидкостей в узких каналах многослойных эластичных оболочек.
4) динамику и особенности заполнения жидкостью межслойного пространства формируемой оболочки полых тел.
На практике, в земных условиях получение листовых конструкционных элементов, оболочек и полых конструкций из композиционных материалов осуществляется с использованием разнообразных технологических процессов в жидких средах. Поведение растворов и расплавов полимеров в условиях действия силы тяжести в целом достаточно просто и понятно, поскольку определяющими в этом случае являются архимедовы силы (выталкивающие силы, силы плавучести), внутренние силы (вязкость, поверхностное натяжение, капиллярные силы).
Однако в условиях отсутствия силы тяжести применение используемых на Земле методов может оказаться весьма трудоемким, технически сложным или дорогостоящим. Вместе с тем, получение конструкционных элементов в виде оболочек и полых контейнеров из композиционных материалов в условиях невесомости может быть осуществлено относительно простым, неудобным для Земных условий методом.
В эксперименте в условиях отсутствия действия сил гравитационной природы демонстрируется возможность формирования полого контейнера из исходной многослойной эластичной оболочки, между слоями которой вводится жидкий полимер, а внутрь оболочки нагнетается воздух под некоторым избыточным давлением. Оболочка снаружи ограничена сеткой определяющей форму получаемого контейнера. Ожидается, что под воздействием сил поверхностного натяжения жидкого полимера и давления воздуха во внутренней оболочке полимер равномерно распределится в промежуточном слое между оболочками. После отверждения полимера стенка конструкции должна приобрести заданную жесткость и равную толщину по всей площади.
Демонстрация технологической возможности получения оболочек и полых конструкций из композиционных материалов методом полимеризации в условиях невесомости представляет собой последовательность нескольких технических операций, однако изучение процессов передачи движения вязких жидкостей в узких каналах многослойных эластичных оболочек является интересной теоретической задачей.
В земных условиях весьма сложно наглядно продемонстрировать отсутствие проявления гравитационных сил плавучести и оседания, особенно с однородным распределением жидкости по поверхности эластичной оболочки, получением стенок оболочки равной толщины. В условиях микрогравитации такой эксперимент должен быть очень наглядным.
Кроме того, изучение физических и химических процессов и явлений в жидкостных средах, протекающих в условиях невесомости, может иметь важное практическое значение для решения задач создания перспективных конструкций непосредственно в космических условиях.
Эксперимент позволит получить информацию о наглядном наблюдении процесса распределения жидкости в форме полого тела со стенками равной толщины, например, шара или другой геометрической фигуры, без воздействия сил плавучести. Также будут получены модельные экспериментальные данные о принципиальной возможности получения в космических условиях полых конструкций из отверждаемых полимерных композиционных материалов.
В последующих сеансах эксперимент позволит также провести наблюдение и изучение химико-технологических процессов получения в космических условиях армированных (например, металлическим порошком или сеткой) оболочек различных форм.
В целом полученный экспериментальный материал планируется использовать в научно - образовательных целях для наглядной иллюстрации действия изучаемых физических и химических законов в условиях микрогравитации и демонстрации получения в космосе полых конструкций из полимерных материалов.
2. Краткая история и состояние вопроса
Использование ресурсов и возможностей пилотируемых космических станций и кораблей в целях школьного образования уже давно стало одним из основных направлений зарубежных космических программ. Так, ещё в 1973‑74 годах в рамках программы полета американской орбитальной станции «Скайлэб» было проведено 30 "школьных" экспериментов. Научно-образовательные эксперименты в форме «лекций из космоса», проводились во время полетов американских орбитальных кораблей «Спейс Шаттл» и советской орбитальной станции «Мир» (космонавтом ). В рамках программ Европейского космического агентства на борту РС МКС было проведено несколько образовательных экспериментов. Тем не менее, в программе полета на РС МКС большинства зарубежных космонавтов предусматривается проведение относительно простых образовательных экспериментов, преимущественно медико-биологического и физического характера. В программе космических научных исследований США на АС МКС, а также в российской программе НПИ на РС МКС образовательные эксперименты занимают приоритетное место и выделены в отдельное направление. На РС МКС до настоящего времени выполнен ряд экспериментов по различным разделам школьного и высшего образования.
22 июня 2005 года было принято решение Координационного научно-технического совета Федерального космического агентства по развитию научно-образовательных экспериментов на РС МКС.
28 июня 2005 года утвержден план мероприятий по участию Федерального космического агентства в образовательной деятельности предприятий космической отрасли.
Космический эксперимент «Химия-Образование» является проектом, реализуемым на борту российского сегмента Международной космической станции в рамках научно-образовательных экспериментов.
3. Необходимость проведения эксперимента в космосе
Основными целями российской научно-образовательной программы космических экспериментов являются:
1) использование российского сегмента Международной космической станции для пропаганды возможностей космонавтики, наглядной демонстрации различных законов и явлений;
2) создание условий для привлечения молодежи к самостоятельной научно-исследовательской деятельности под руководством ведущих специалистов предприятий и организаций космической отрасли;
3) развитие у детей и подростков интереса к научно-техническому творчеству, исследованию космоса, изучению истории и перспектив развития космонавтики и ракетной техники;
4) предпрофессиональная подготовка и профессиональная ориентация учащейся молодежи на перспективные программы космических исследований;
5) совершенствование учебных программ, учебно-методических пособий и расширение экспериментальной базы педагогической науки.
Поскольку космический эксперимент «Химия-Образование» посвящен демонстрации химических и физических законов в условиях микрогравитации, для его проведения необходимо обеспечить длительное состояние невесомости. В наземных условиях (в падающей камере или в самолете, летящем по баллистической траектории) невесомость может имитироваться только в течение очень коротких промежутков времени.
Таким образом, эксперимент «Химия-Образование» полноценно может быть выполнен только на борту Российского сегмента Международной космической станции, где условия относительной невесомости существует постоянно, с использованием имеющихся на ней необходимых ресурсов.
4. Описание космического эксперимента
Комплект научно-образовательной аппаратуры «Сфера» представляет собой набор экспериментальных устройств для обеспечения выполнения на борту РС МКС отдельных технологических операций:
- процесса заправки полимером многослойной оболочки,
- процесса наддува воздухом и развертывания оболочки заданной формы,
- полимеризации и получения образцов конструкционных элементов.
В 10-ти сеансах эксперимента «Химия-Образование» предполагается продемонстрировать принципиальную возможность получения оболочек и полых конструкций из полимерных композиционных материалов с использованием следующих методов и рабочих составов:
1. Развертывание оболочки с контрольной жидкостью (например, с глицерином);
2. С самоотверждающейся поликомпонентной смесью;
3. Со смесью отверждающейся фотополимеризацией;
4. С наполнителем полимера композиционным материалом (метод ПО).
Работа экспериментальных устройств на всех технологических операциях регистрируется путем видеозаписи и фотографирования.
5. Новизна и качественный уровень
В предыдущих зарубежных и отечественных научно-образовательных космических экспериментах в основном демонстрировалось действие фундаментальных физических законов (законов Ньютона, законов сохранения и т. п.) в хорошо известных и изученных явлениях. В эксперименте «Химия-Образование» не ставится каких-либо исследовательских задач. В эксперименте предполагается не только продемонстрировать на простых примерах технологическую возможность формирования полых оболочек и конструкций из композиционных полимерных материалов, но и показать действие основных химических и физических законов. Вместе с тем, в этом эксперименте предполагается наблюдать и изучать процессы движения вязких жидкостей в каналах многослойных оболочек.
В земных условиях весьма сложно наглядно продемонстрировать отсутствие проявления гравитационных сил плавучести и оседания, которые позволят получить наиболее наглядную и точную информацию о изучаемых процессах. С этих точек зрения эксперимент «Химия-Образование» отличается от предыдущих образовательных космических экспериментов существенной новизной и намного более высоким качественным уровнем.
6. Ожидаемые результаты и их использование
В серии эксперимента предполагается продемонстрировать процесс получения в условиях невесомости полых оболочек и конструкций из полимерных материалов и показать действие основных химических и физических законов, определяющих поведение вязких жидкостей. Помимо регистрации качественной картины пространственного развертывания и полимеризации оболочек, предполагается получить данные о процессах движения вязких жидкостей в условиях невесомости.
В результате эксперимента предполагается показать роль в демонстрируемых процессах сил поверхностного натяжения, влияние вязкости жидкости, её поверхностно-активных свойств.
Космический эксперимент «Химия-Образование» является проектом с новой постановкой образовательных задач для реализации на борту Международной космической станции в рамках научно-образовательных экспериментов.
Результаты эксперимента предполагается использовать в учебном процессе для наглядной демонстрации возможности получения оболочек и полых конструкций из композиционных материалов в реальных условиях невесомости, а также для наглядной иллюстрации физических процессов в механике жидкостей.
От образовательных учреждений: От РКК «Энергия»,
им. :
Профессор МИТХТ Руководитель
им. научно-технического центра
____________ ___________
Директор школы № 596 г. Москвы Начальник отделения
____________ ___________
Зам. директора школы № 596 Зам. начальника отдела
____________ ___________
Директор школы № 000 г. Москвы
_______________
Зам. директора школы № 000
_______________
