Иллюминаторы в космосе — это не просто окна для экипажа. Прежде всего они служат для наблюдений и съёмок с использованием оптических приборов, поэтому крайне важно какими оптическими, защитными и прочностными свойствами они будут обладать. Над улучшением этих свойств успешно работает коллектив лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий Института физики прочности и материаловедения СО РАН под руководством профессора Виктора Сергеева.

Проблема заключается в том, что космические иллюминаторы находятся в очень агрессивной среде. В их стёкла с огромной скоростью, достигающей нескольких километров в секунду, ударяются метеороиды и микрочастицы космического мусора. Они разрушают поверхностный слой, образуют кратеры, окружённые трещинами длиной до нескольких миллиметров. Это значительно снижает прочность стёкол и портит их оптические характеристики.

По заданию Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) провели расчёты, позволившие установить допустимый срок эксплуатации иллюминаторов на Международной космической станции.

«Мы получили фотоснимки внешних стёкол иллюминаторов Российского сегмента МКС, сделанные российскими космонавтами в космосе. Затем совместно с нашими коллегами из НИИ прикладной математики и механики ТГУ с помощью специальной установки смоделировали ситуации соударений 120 стёкол-образцов и высокоскоростных микрочастиц, развивающих ту же скорость, что и в условиях открытого космоса. Таким образом, мы изучили, как на механическую прочность стёкол влияет количество кратеров, их размеры, глубина и расположение», — рассказал Виктор Петрович Сергеев.

Затем с помощью специальных расчётов учёные оценили остаточный ресурс эксплуатации иллюминаторов. Согласно расчётам, иллюминаторы на МКС прослужат ещё как минимум до 2030 года.

Решая задачу повышения ударной стойкости и срока службы иллюминаторов, научный коллектив лаборатории оценил перспективность использования в них других видов стекла, кроме используемого сегодня в России кварцевого (его основу составляет оксид кремния).

Проведённые исследования показали, что оптические стёкла на основе оксидов натрия и кальция не превосходят по долговечности кварцевые, но их стоимость гораздо выше. Стёкла из лейкосапфира, основу которого составляет оксид алюминия, напротив, превосходят кварцевые по твёрдости в полтора раза и по прочности — почти в два раза, но широкому внедрению такого стекла в космонавтике также препятствует высокая стоимость — в три раза выше, чем у традиционного кварцевого стекла.

Эффективно повысить ударную стойкость кварцевых стёкол, приблизив их характеристики к лейкосапфировым, можно путем нанесения на них многоуровневых (до 10 слоев) покрытий, разработанных в ИФПМ СО РАН. Первая партия стёкол с защитными покрытиями, нанесёнными с помощью ионно-плазменного оборудования, также разработанного в институте, успешно прошла необходимые испытания и уже передана в РКК «Энергия» для оснащения новых космических кораблей.

Наконец, сегодня в ИФПМ СО РАН выполняется разработка стёкол для иллюминаторов Национальной орбитальной космической станции (РОС — «Российская орбитальная станция»).

«Необходимо решить целый комплекс задач, связанных с повышением оптических характеристик стёкол и их однородностью. Важно уменьшить массу производимых иллюминаторов, так как вывод каждого килограмма груза на космическую орбиту обходится очень дорого. Повышение прочности стёкол за счет нанесения защитных покрытий позволит уменьшить их толщину, следовательно, — вес, а, значит, и сократить экономические издержки», — пояснил Виктор Петрович.

К 2026 году томские материаловеды должны создать уникальные стёкла с защитными покрытиями для иллюминаторов большого диаметра (до полуметра), что откроет новые возможности для работы оптических приборов — телескопов и съёмочной аппаратуры.

Источник: ТНЦ СО РАН.