На адресу КПІ ім. Ігоря Сікорського надійшов лист від директора Інституту космічних систем Німецького центру авіації та космонавтики (DLR) Андреаса Ріттвегера такого змісту:
"Ректору КПІ ім. Ігоря Сікорського проф. Згуровському М.З.
Дорогий проф. Згуровський,
Цим листом ми хотіли б повідомити Вам, що астероїдний посадочний модуль – MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout – мобільний астероїдний поверхневий розвідник) успішно сів 3 жовтня 2018 року на астероїд Рюгу біля Землі і після 17 годин перебування на поверхні астероїда завершив свою наукову програму.
У розробці системи терморегулювання цього модуля брали участь учені теплоенергетичного факультету КПІ ім. Ігоря Сікорського. Ефективні пристрої теплопередачі з унікальними властивостями були спроектовані, виготовлені і випробувані ними в заданих умовах, що дозволило успішно працювати при посадці MASCOT на поверхню астероїда після 3,5 року польоту в космічному просторі.
Цим листом хочемо подякувати вченим теплоенергетичного факультету КПІ ім. Ігоря Сікорського (науковий керівник В. Кравець) за успішне втілення у життя цього проекту. Ми цінуємо їхні зусилля щодо своєчасної реалізації зразків теплових труб, які сприяли успішній доставці астероїдного посадочного апарату MASCOT, який було запущено 3 грудня 2014 року.
Ми задоволені науковими результатами нашої співпраці з науковцями КПІ: чотири спільні наукові праці, опубліковані в міжнародних виданнях, дві спільні доповіді на всесвітньо визнаних конференціях – чудовий внесок у міжнародне наукове співтовариство.
Ми сподіваємося, що нинішні та майбутні контакти сприятимуть інтеграції України до Європейської космічної спільноти і підтримають людські відносини.
Модуль MASCOT працював у складі космічної місії, яка почалася 3 грудня 2014 року запуском японського зонду "Хаябуса-2" (Hayabusa-2) з космодрому Танегасима. Її метою було дослідження астероїду класу "С", в тому числі доставка зразків його грунту. За ціль було обрано астероїд Rюгу, діаметр якого оцінюється приблизно в 0,92 км, орбіта в перигелії заходить до орбіти Землі, а в афелії торкається орбіти Марсу. Шлях зонду до об'єкту досліджень склав понад 3 мільярди кілометрів. 3 жовтня модуль MASCOT, який був розроблений інженерами Німецького центру аерокосмічної промисловості та Французького національного центру космічних досліджень за участю фахівців КПІ, успішно висадився на астероїд. Модуль має розміри 30 х 30 х 20 см та масу 9,6 кг. Під час спуску з висоти 51 метр MASCOT зробив низку фотознімків. За час своєї роботи на космічному об'єкті модуль успішно виконав програму досліджень за допомогою спектрометра, магнітометра, радіометра та камери і передав їх на орбітальний апарат. Завершення місії і повернення зонду "Хаябуса-2" на Землю заплановане на грудень 2020 року.
Наш кореспондент узяв інтерв’ю у д.т.н., проф. ТЕФ Володимира Юрійовича Кравця – керівника групи науковців ТЕФ, яка розробила і виготовила теплові труби для космічного апарата.
– Розкажіть спершу, що таке теплові труби.
– Теплові труби – це високоефективні теплопередавальні пристрої. Їхня конструкція складається з металевої (як правило, мідної) трубки, на внутрішній поверхні якої знаходиться шар пористого матеріалу, а центральна частина порожня. Пори матеріалу заповнені рідиною, вибір якої залежить насамперед від діапазону робочих температур пристрою. Принцип дії теплової труби наступний. Теплоносій кипить на нагрітому кінці труби, і пара центральною частиною труби рухається до холодного кінця, де конденсується – перетворюється на рідину. Рідина за рахунок капілярних сил рухається порами наповнювача від холодного кінця до гарячого. Оскільки всередині такого пристрою використовуються процеси кипіння і конденсації, то тепловий потік через теплову трубу в сотні разів вищий, ніж через мідний стрижень такого самого перетину і довжини.
Теплові труби широко застосовуються в системах охолодження електронної апаратури. Вони передають теплоту від елементів апаратури до зовнішніх радіаторів. Їх можна побачити в кожному ноутбуці. Використовуються вони і в системах охолодження апаратури космічних апаратів.
– Чому німецький інститут звернувся саме до вас? Невже в Німеччині не вміють виготовляти теплові труби, якщо вони так широко застосовуються?
– Звичайно, вміють виготовляти. Але не всякі. Річ у тім, що для космічного апарата необхідно було розробити теплову трубу не лише певних розмірів, конфігурації і маси, але й зі змінним термічним опором. У той проміжок часу, доки міжпланетна станція мала летіти до астероїда (три з половиною роки), теплові труби не повинні були передавати тепло. В районі орбіти Землі будь-який предмет у міжпланетному просторі охолоджується до температури 150-200 градусів нижче нуля. За цих умов апаратура космічної станції може вийти з ладу. Тому протягом трьох з половиною років система терморегулювання станції підтримує температуру апаратури на рівні 0 оС. Звісно, у цей час відводити тепло не потрібно. Коли ж при виконанні досліджень астероїда починає працювати електронна апаратура, вона нагрівається, і щоб не перегрівалася вище 40 оС, теплові труби мають відводити потік тепла на випромінювач.
Спершу німецький інститут замовив проектування і виготовлення теплових труб у двох інститутах, що розташовані у Бельгії та Іспанії. Вони працювали рік, але не змогли виготовити труби із заданими параметрами. Склалася гостра ситуація. На початку літа 2014 р. колишній працівник нашого факультету (і випускник КПІ), доктор технічних наук Володимир Михайлович Батуркін, звернувся до мене з пропозицією щодо виготовлення таких труб.
– Як вам вдалося зробити те, чого не вдалося зробити іншим?
– Слід сказати, що бажаних результатів ми досягли не зразу. Необхідно було відводити тепловий потік потужністю приблизно 30 Вт. Деякий час отримували десь 5 Вт. Тоді вирішили застосувати капілярно-пористу структуру на основі відрізків тонкого мідного дроту. Шар таких відрізків спікається в інертній атмосфері. При цьому утворюється пористий метало-волокнистий матеріал. Він на оправці вставляється в трубку і припікається до її поверхні. Капілярно-пориста структура під вакуумом заповнюється метанолом, і трубка запаюється. Згодом до неї припаювали фланці і надавали заданої необхідної форми, згинаючи у відповідній оправці. Потім покривали захисним нікелевим покриттям. Далі визначали їхні параметри, випробували на вібростенді. Експерименти тривали три літніх місяці, а доведення до заданих параметрів – ще два. Всього виготовили кілька десятків труб, поки добилися заданих параметрів. У жовтні передали труби замовникам у Бремен. Вони їх випробували і поставили на апарат. А у грудні відбувся старт станції з японського космодрому.
– Як давно на теплоенергетичному факультеті займаються тепловими трубами?
– На нашому факультеті існує школа теплових труб, яку заснував у 80-х рр. минулого століття д.т.н., проф. Михайло Григорович Семена. Близько 20 його аспірантів захистили кандидатські дисертації. Саме під його керівництвом уперше в СРСР розпочали розробку теплових труб з метало-волокнистою пористою структурою. Раніше пористий шар теплових труб виготовляли з порошка. І донині більшість теплових труб має саме таку конструкцію. При цьому пористість шару не перевищує 60%. А метало-волокнистий пористий матеріал може мати пористість 90 і навіть 98%. Завдяки цьому рідина по цьому матеріалу рухається набагато швидше, і такі труби ефективніше передають тепло.
– Над чим зараз працюєте?
– Група теплових труб займається як фундаментальними, так і прикладними дослідженнями. З першого напряму досліджуємо процеси у випарно-конденсаційних системах. Нещодавно вийшла моя монографія на цю тему.
Проводимо спільні роботи як з вітчизняними, так і закордонними організаціями з дослідження процесів у замкнених випарно-конденсаційних системах, а також розробляємо для них ефективні системи охолодження на основі теплових труб для електронної техніки.
Розробили теплові труби для охолодження герметичних комп'ютерів – тих, що працюють разом з відеокамерами спостереження. Отримали декілька патентів на винаходи і на корисні моделі.
Розробляємо також термосифони. Це теж теплові труби, але без капілярно-пористої структури. Їх можна застосовувати, наприклад, у системах охолодження відпрацьованого ядерного палива.
Взагалі, цей напрям техніки досить перспективний, і існуючі здобутки школи теплових труб дають підстави стверджувати, що ми можемо виконувати найскладніші завдання на найвищому рівні.