Лаборатория. 3D-принтер для космоса и рой спутников из томского Политеха
Это небольшое помещение, заставленное приборами — одна из точек выхода ТПУ в космос. Здесь делают 3D-принтер для космонавтов и работают над созданием роя спутников, не считая более скромных земных проектов.
А еще здесь собраны принтеры для работы с различными материалами: от металлов до гипса или резины. Рассказываем, как работает НОЦ «Современные производственные технологии».
Печать в невесомости
Космонавтам на Международной космической станции нужен 3D-принтер. Это не прихоть и даже не просто научный эксперимент, а реальная потребность.
— Вы видели трансляции с МКС? — спрашивает Василий Федоров, директор НОЦ «Современные производственные технологии». — У них там куча устройств, отовсюду торчат и висят провода. Крепежные детали часто выходят из строя и просто теряются. В невесомости очень легко что-то потерять, на самом деле. Это на Земле, если что-то упало, под столом посмотрел — и нашел. А в космосе мелкая деталь может залететь, куда угодно. Допустим, все разъемы у них закрыты специальными пластиковыми крышечками. Потому что любая влага не стекает вниз, а разлетается по помещению и может замкнуть контакты. Крышки теряются, и есть постоянная необходимость их печати.
Трехмерный принтер для космоса РКК «Энергия» совместно с Томским политехническим университетом начали разрабатывать в 2015 году. Он уже спроектирован и изготовлен, остался этап испытаний и финальных доделок. Принтер создается исключительно по собственным технологиям и из отечественных комплектующих высокого класса надежности, изготовленных специально для него. Пока он будет печатать только пластиком, но технический задел в будущем позволит создать принтер, печатающий металлом за бортом МКС.
Принцип работы 3D-принтера для работы в невесомости тот же, что и у обычного. Но есть и конструктивные особенности. Во-первых, его конструкция должна быть очень надежной: починить его в космосе будет гораздо сложнее, чем на Земле. К тому же, принтер должен быть пожаробезопасным и иметь хорошую систему фильтрации.
— Если у нас во время печати пахнет пластиком, можно открыть окна. А космонавты этого не сделают, поэтому нужна система внутренних фильтров, — поясняет Василий.
Во-вторых, сила тяжести заменена на силу экструзии — или впрыскивания. Обычно сопло, из которого подается материал, делают с некоторым зазором от стартовой платформы — благодаря гравитации материал попадет туда, куда нужно. В космическом принтере сопло «утоплено» в пластике (потому что иначе он будет завиваться вокруг сопла, а не укладываться слоями на платформу) и поднимается по мере роста детали.
В процессе создания принтера разработчикам приходилось дорабатывать конструкцию, на ходу придумывать решения. В этом им помогал экипаж МКС, консультируя по видеосвязи.
— К примеру, космонавты заметили, что трекбол (устройство ввода-вывода, похожее на джойстик — прим.ред.) находится слишком близко к кнопкам «вкл.» и «выкл.», и они попросили перенести их, чтобы не нажимать случайно, — рассказывает Василий Фёдоров. — Потом они сделали замечание, что на принтере не хватает ручек. В невесомости, когда нажимаешь кнопки, с той же силой отлетаешь назад. Элементарно, если ты за что-то не держишься, работать с принтером там не получится. Вот такого рода корректировки, то, что сами мы могли и не учесть.
Принтер уже собрали в лаборатории, протестировали и снова разобрали, чтобы подготовить к испытаниям с участием специалистов РКК «Энергия». Они будут проходить в Томске, в лаборатории НПО «Полюс». Проверить нужно вибронагрузки, воздействие различных температур, электрическую совместимость всё, с чем аппарат может столкнуться при доставке на ракете-носителе и работе на МКС.
Интересно, что в рамках подготовки к эксперименту создается не один, а четыре устройства. Как у космонавтов — летит один, но готовятся к полету несколько человек. Один принтер попадет в РКК «Энергия», где его установят на комплексный стенд одного из российских модулей Международной космической станции. Он же будет использован для тренировок экипажей. Еще один опытный образец останется в ТПУ и потом, вероятно, попадет в музеи. Василий Федоров мечтает, чтобы его передали в Томский планетарий. И, наконец, два прибора — лётный и его дублер. Если всё пойдет по плану, принтер установят на МКС в начале 2022 года.
Рой спутников
Второй космический проект, в котором участвует НОЦ «Современные производственные технологии» — «Рой малых космических аппаратов».
В 2017 году с Международной космической станции запущен первый в мире наноспутник, корпус которого почти полностью напечатан на 3D-принтере. Алюминиевым был только каркас, защищающий тонкие солнечные панели. А вся начинка — из полиамида с добавками, уменьшающими температурное расширение.
Опыт политехников пригодится при реализации космического эксперимента «Рой малых космических аппаратов». В ходе него на орбиту будут выведены группы спутников: на первом этапе 4 аппарата, на втором — не меньше 6, последующие этапы пока на стадии планирования.
Техническое задание на эксперимент тоже составлялось в экспериментальной форме. В 2019 году на площадке Сколтеха собрались около 30 участников из более чем десяти организаций космической отрасли и ведущих вузов страны (от Томска, кроме Политеха, были представители ТУСУРа). В течение недели они сделали проект, на который в обычных условиях, когда все участники находятся на своих рабочих местах, ушло бы не менее полугода.
— В Сколтехе есть инфраструктура для так называемого сетевого параллельного проектирования, — говорит Василий. — Есть все необходимое для работы, специальное программное обеспечение для координации действий участников — допустим, можно мгновенно выдать техническое задание соседним группам и с ними же его обсудить. В итоге был сформирован облик первого аппарата и составлено техническое задание на сам космический эксперимент: что мы хотим достичь, с какими результатами. После оно было утверждено на координационном научно-техническом совете Роскосмоса.
Рой малых космических аппаратов — это когда несколько наноспутников автономно и коллегиально решают общую задачу. Один из спутников зафиксировал некое явление: например, гамма-всплеск, эхо космической катастрофы. Он сообщает об этом остальным спутникам, и они разворачивают свое внимание на это явление. Таким образом, увеличивается достоверность обнаружения фактов либо выполняется какая-то практическая задача.
В этом большом эксперименте Томскому политехническому университету отводится роль конструкторов: подобрать материалы, разработать корпус, расположить «начинку», а затем и обеспечить изготовление корпусов наноспутников из Роя.
— Основная сложность в том, чтобы согласовать наполнение спутника со всеми участниками эксперимента, — говорит Василий. — Исследователи ведь хотят заполнить корпуса своими модулями: от системы связи спутников между собой и с Землей до двигателей и запаса топлива у спутников второго этапа. И всё это должно весить не более 6 килограммов. Также нужно обеспечить оборудованию максимальную защиту и учесть особенности пускового устройства, которое разрабатывает Московский авиационный институт. Много участников, у каждого свои требования, и порой нелегко их учесть и согласовать.
К проекту эксперимента «Рой малых космических аппаратов» подключают и школьников, чтобы заинтересовать ребят космической темой и вырастить из них будущих инженеров. Так, Василий Фёдоров выступает ментором на проекте «Космический урок».
— Кадры надо выращивать, — говорит он. — Поэтому пусть подростки сначала своей головой и руками попроектируют, а мы как эксперты оценим, все ли они системы предусмотрели, насколько их спутник жизнеспособен. Лучших будем брать к себе, чтобы они посмотрели, как это делается, по-настоящему, приняли какое-то участие.
Парк трехмерных принтеров
В Томском политехе есть принтеры для печати разными материалами — от металла до гипса, и разного происхождения — от сверхдорогих импортных до самодельных. Кроме больших космических проектов, здесь постоянно решаются более мелкие задачи — как научно-исследовательские, так и производственные.
Принтеров, которые работают с металлом, два: один действует методом электронно-лучевого сплавления, другой — селективно-лазерного. Лазер позволяет создать более сложные тонкие изделия: «электрон дает пятно порядка 0,2 мм, а лазер — потоньше раза в два», — объяснил Василий. Зато у электронно-лучевой технологии КПД практически 100%, к тому же внутреннее напряжение металла меньше, что позволяет создавать более крупные детали без искажений и дефектов. Разные технологии используются для разных задач. Например, для печати наноспутников, по словам разработчика, удобнее использовать метод электронно-лучевого сплавления.
Совсем иначе устроен гипсовый принтер. Здесь ничего не нагревается и не спекается. Вместо этого из сопла на гипс распыляют связующее вещество, которое склеивает сыпучий материал и получается гипсовая деталь или форма. Дальше ее можно пропитать специальным мономером в вакууме и запечь в печке. Формы получаются настолько прочными, что в них можно отливать даже металл.
Для контракта с компанией «Вертолеты России» в НОЦ собрали собственный принтер. В его экструдер можно засыпать гранулы практически любого полимерного материала, он может нагревать материал до 500 градусов и выкладывать по программе вместе с армирующим волокном.
При этом ученые не могут сказать, что у них есть все необходимые принтеры. Для полного счастья не хватает принтера по металлам, который может добавлять связующие полимеры, чтобы изделие можно было бы потом запечь — это сделает его максимально прочным. Вакуумную камеру, позволяющую печатать крупные детали методом наплавки проволокой. Большой принтер для пластика, на котором можно напечатать, например, лодку. Да мало ли, что еще.
— За аддитивными технологиями будущее, уверен Василий Фёдоров. А вот сами технологии для разных материалов… Мне кажется пройдет с десяток итераций, прежде чем для каждого конкретного случая будет выбрана оптимальная технология: для металла одна, для пластика другая, для органики третья. Поэтому надо развивать, надо трудиться.
Текст: Катерина Кайгородова
Фото: Владимир Дударев
Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».