Регистрация / Вход
Прислать материал

«Исследование кинетики образования и
параметров наноразмерных наноструктурированных пленок,
конденсирующихся на элементах термостабилизированной оптики
космических аппаратов»

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0102
Организация
МГТУ им. Н.Э.Баумана
Руководитель работ
Федоров Игорь Борисович
Продолжительность работ
2009 - 2011, 27 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Внебюджетные средства
2,4 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Демин Александр Борисович
Зам. руководителя работ
Башков Валерий Михайлович

Этапы проекта

1
15.06.2009 - 31.08.2009
Анализ процессов газовыделения
различных конструкционных
материалов в условиях
космического вакуума и
конденсации продуктов СВА на
кварцевых оптических элементах.
Разработка ТЗ на методики.
Развернуть
2
01.09.2009 - 05.12.2009
Выбор научной базы и
разработка структуры
математической модели процессов
газовыделения конструкционных
материалов при термовакуумном
воздействии.
Разработка и оценка точности
математической модели процессов
газовыделения конструкционных
материалов при термовакуумном
воздействии.
Моделирование процессов
газовыделения конструкционных
материалов при термовакуумном
воздействии.
Проведение патентных
исследований в областях,
соответствующих тематике НИР.
Разработка научно-
методических материалов к учебной
программе по курсу
«Спецтехническое оборудование».
Разработка рабочей документации
для аттестации термовакуумных
камер моделей «Термовакуумная
установка ВТУ75/1 00»,
«Термовакуумная установка 1,4 м3 »
и «Термовакуумная установка 14
м »
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
1. Наименование разрабатываемой продукции
• Протоколы испытаний материалов на газовыделение
• Скорректированная математическая модель газовыделения
• Математическая модель конденсации продуктов газовыделения на кварцевом оптическом элементе
• Проект методики проведения термовакуумных испытаний и обезгаживания компонентов бортовых систем на аттестованной «Термовакуумной установке 1,4 м3»
• Проект методики проведения термовакуумных испытаний и обезгаживания компонентов бортовых систем на аттестованной «Термовакуумной установке 14 м3»


2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. На третьем этапе работы проведено физическое моделирование газовыделения различных материалов космического назначения. Оценка кинетики газовыделения проведена с помощью разработанной в ходе проведения работ по этапу методики проведения экспериментальных исследований. Результаты испытаний оформлены в виде протоколов.
По экспериментальным данным кинетики потери массы образцов проведена корректировка модели газовыделения. Для обеспечения достоверности модели корректировка проводилась по экспериментальным данным газовыделения четырех различных материалов.
Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать кинетику процесса пленкообразования и физико-механические параметры образующихся пленок (толщину, сплошность, шероховатость). В качестве исходных данных для расчета задается плотность потока лекгоконденсирующихся веществ к поверхности кварцевого оптического элемента. Эти концентрации рассчитываются с помощью разработанной на данном этапе модели газовыделения. Таким образом, композиция моделей газовыделения и пленкообразования является основой методики прогнозирования свойств паразитных пленок.
Разработаны проекты методик проведения термовакуумных испытаний и обезгаживания узлов и блоков бортовых систем КА на «Термовакуумной установке 1,4 м3» и космических аппаратов на «Термовакуумной установке 14 м3». Проекты методик определяют условия проведения испытаний КА и из узлов на устойчивость к воздействию температурных полей в вакууме.
2.2. При проведении физического моделирования газовыделения материалов космического назначения подготовка образцов и порядок проведения испытаний соответствовал требованиям ГОСТ 50109-92 «Метод испытания на потерю массы и содержание летучих конденсирующихся веществ при вакуумно-тепловом воздействии». Стандартом предусмотрено проведение испытаний в течение 24 часов. Для оценки параметров кинетики газовыделения, необходимых для корректировки математической модели, были дополнительно проведены эксперименты в течение 2, 4, 6 и 12 часов при стандартных условиях.
Методики проведения термовакуумных испытаний и технологической операции обезгаживания КА и их узлов впервые разработаны в РФ и являются уникальными. Нормативные документы, регламентирующие проведение работ по обезгаживанию КА в настоящее время отсутствуют.
2.3. Корректировка модели газовыделения проводилась по экспериментальным данным. В качестве критерия достоверности модели принималось статистическое совпадение теоретических и экспериментальных кривых газовыделения всех четырех материалов, для которых были проведены измерения. Степень совпадения оценивалась с помощью критерия Фишера. Набор компонент газовыделения образцов для расчета с помощью модели определен на основе анализа химического состава испытуемых материалов. Для оценки правильности предположений о составе компонент газовыделения материалов использовались данные масс-спектрометра, входящего в состав термовакуумной установки. В результате физического моделирования были получены значения потери массы образцов клеев на кремнийорганической основе, герметика на основе полисульфидного каучука и волоконного арамидного материала.
Модель пленкообразования построена с учетом известных механизмов роста тонких пленок (послойный, зародышевый, смешанный и спиральный). На данном этапе работы проведен анализ существующих математических моделей зародышеобразования и роста пленки. Найдены применимые для случая роста пленок летучих конденсирующихся веществ математические модели этих процессов и составлена обобщенная математическая модель пленкоосаждения. Модель позволяет рассчитывать кинетические и физико-механических параметры паразитных пленок.
2.4. На отчетном этапе не создано объектов интеллектуальной собственности, способных к правовой охране.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Разработанная математическая модель пленкообразования на кварцевых оптических элементах будет дополняться на 4 этапе выполнения работы и послужит основой для разработки методики прогнозирования кинетики формирования пленок на этапе 5. Скорректированная модель газовыделения и модель пленкообразования будут использованы при разработке программного продукта, реализующего методику прогнозирования кинетики формирования загрязняющих пленок.
Разработанные методики проведения термовакуумных испытаний и операции обезгаживания с помощью термовакуумных установок будут применяться при испытаниях КА и из узлов в рамках работ ФГУП ЦНИИ «Комета» и могут быть распространены на все предприятия аэрокосмического комплекса РФ.
3.2. Проводится внедрение дополнительных материалов по теме проекта к курсу «Спецтехническое оборудование». По тематике НИР выполнен дипломный проект по специальности «Проектирование и технология РЭС».
3.3. На данный момент в работах по тематике НИР задействовано 5 аспирантов, 3 кандидата наук, 3 доктора наук. По тематике НИР 4 студента проходят курсовое проектирование, 3 студента привлечены к выполнению работ, планируется их закрепление на данной тематике путем продолжения научно-исследовательской работы студента, курсового и, в дальнейшем, дипломного проектирования. Часть студентов планируется прикрепить к профильным предприятиям (ФГУП ЦНИИ «Комета», ФГУП ЦНИРТИ им. Берга) для прохождения практики и дальнейшей работы в качестве инженеров (молодых специалистов).


4. Выводы
1. Разработана модель пленкообразования, позволяющая рассчитывать кинетику и физико-механические свойства пленок, осаждающихся на кварцевых оптических элементах.
2. Проведен цикл экспериментов по физическому моделированию газовыделения материалами КА. Измерены параметры кинетики потери массы для материалов космического назначения. Результаты измерений отражены в протоколах.
3. Проведен анализ компонент газовыделения исследуемых материалов. Правильность набора наиболее вероятных летучих компонент, определенного в результате исследования химического состава материалов, проверялась путем сравнения с показаниями масс-спектрометра.
4. По результатам экспериментальных данных скорректирована модель газовыделения. Скорректированная модель позволяет рассчитать состав и плотность потока летучих конденсирующихся веществ, выделяющихся из полимерных материалов различного химического состава.
5. Разработаны проекты методик термовакуумных испытаний на аттестованных термовакуумных камерах и проведения технологической операции обезгаживания космических аппаратов и их узлов на «Термовакуумной установке 1,4 м3» и «Термовакуумной установке 14 м3»
Развернуть
4
01.07.2010 - 05.12.2010
Для проведения теоретических и экспериментальных исследований процессов газовыделения-пленкообразования на четвертом этапе работ были выбраны материалы для исследования. Для этих материалов проведено математическое моделирование процесса пленкообразования с помощью моделей газовыделения и пленкообразования, разработанных на предыдущих этапах работы. В результате спрогнозированы физико-механические параметры пленок (толщина, сплошность, шероховатость), образующихся при конденсации на поверхности оптического элемента продуктов газовыделения неметаллических материалов.
Проведен цикл экспериментов по физическому моделированию конденсации продуктов газовыделения на подложку из кварцевого стекла различных материалов космического назначения. Для получения большего числа данных эксперименты проводились на двух исследовательских установках с различными входными параметрами. Оценка кинетики пленкообразования и исследование физико-механических параметров, полученных пленок, проведены в соответствии с разработанной в ходе проведения работ по этапу методики проведения экспериментальных исследований. Результаты испытаний оформлены в виде протоколов.
По экспериментальным данным кинетики конденсации продуктов газовыделения образцов материалов проведена корректировка модели пленкообразования. Для обеспечения достоверности модели корректировка проводилась по экспериментальным данным термовакуумных испытаний двух различных материалов с варьированием ряда входных параметров.
Разработанные научно-методические материалы к дисциплине «Технологии приборостроения» являются дополнением к основным материалам дисциплины, входящим в образовательную программу подготовки специалистов по направлению «Нанотехнология РЭС». Разработанные материалы направлены на адаптацию курса к тематике НИР и привлечению студентов к работе в данном направлении.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.04.2011
В ходе выполнения работ 5ого этапа были продолжены экспериментальные исследования процессов газовыделения-пленкообразования. По результатам экспериментальных данных определена кинетика следующих параметров: потеря массы газовыделяющих образцов, масса вещества, осевшего на конденсационную пластину, сплошность и толщина полученной пленки. На основании проведенных исследований кинетики процесса пленкообразования и характеристик наноструктурированных наноразмерных пленок построена оптическая модель и проведены экспериментальные исследования кинетики оптических характеристик кварцевых стекол.
Процессы газовыделения и пленкообразования описываются большим числом параметров, характеризующих газвыделяющий материал, материал конденсационных пластин и среду переноса продуктов газовыделения. Значения большей части данных параметров отсутствует в литературе, поэтому создание теоретической модели прогнозирования кинетики этих процессов достаточно трудоемко, а в некоторых случаях и невозможно, а для их прогнозирования применяются эмпирические модели. На данном этапе была разработана эмпирико-теоретическая модель процессов газовыделения и пленкообразования, в основе которой лежит алгоритм подбора эмпирических коэффициентов математических моделей исследуемых процессов на основе экспериментальных данных.
На основе полученных данных разработана методика прогнозирования кинетики формирования и параметров конденсирующихся пленок. Данная методика определяет последовательность проведения работ для получения прогноза параметров пленки, образующейся в результате осаждения продуктов газовыделения неметаллического материала, подверженного воздействию температуры и космического вакуума. Основные этапы проведения работ в соответствии с данной методикой: подготовка образцов материалов и конденсирующих пластин, проведение термовакуумных испытаний, определение параметров газовыделения и осажденных пленок, определение эмпирических коэффициентов модели прогнозирования.
Разработана методика прогнозирования изменения оптических свойств кварцевых светочувствительных элементов. В основе данной методики лежит оптическая модель, позволяющая оценить спектральный коэффициент светопропускания. Входными данными для данной модели являются, во-первых, толщина и сплошность пленки, определяемые по методике прогнозирования кинетики формирования и параметров пленок. Во-вторых, коэффициенты преломления и поглощения пленки, определяемые экспериментально.
Разработаны научно-методические материалы для проведения лабораторных работ по курсу «Технологии приборостроения», которые являются лабораторным практикумом дополнительно к основным материалам курса, входящего в образовательную программу подготовки специалистов по направлению «Нанотехнология РЭС». Разработанные материалы направлены на практическое знакомство студентов с проведением экспериментальных исследований по тематике НИР и привлечению их к работе в данном направлении.
Развернуть
6
01.05.2011 - 01.09.2011
Проведен анализ результатов экспериментальных исследований, выполненных на прошлых этапах. В методики проведения исследований внесены необходимые изменения.
Проведены экспериментальные исследования по скорректированным методикам прогнозирования процессов газовыделения-пленкообразования. Исследованы параметры сконденсировавшихся пленок. Проведено прогнозирование кинетики формирования паразитных пленок и изменения их оптических свойств.
Разработаны рекомендации по отбору конструкционных материалов, предназначенных для работы в условиях открытого космоса. Проведен анализ различных мероприятий, направленных на увеличение срока службы космических аппаратов по критерию выхода из строя оптических элементов приборов.
Разработана программа внедрения в образовательный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана научно-методических материалов, созданных на предыдущих этапах НИР. Подготовлена соответствующая нормативная документация.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Разработка многослойных наноструктурированных покрытий элементов космических аппаратов
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
9
Тема
Разработка инновационных материалов и технологий защиты критических элементов космических аппаратов от воздействия объектов космического мусора
Продолжительность работ
2017 - 2018, 14 мес.
Бюджетные средства
87,9 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка «интеллектуальных» органических и гибридных наноструктурированных пленок
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка статистических методов исследования на стенде полунатурного моделирования влияния разбросов параметров разгонного блока на повышение энергетических характеристик при выведении космического аппарата на заданную орбиту на установке: "Комплексный имитационный стенд версификации полетных параметров выведения КА (КИМС) (рег. № 01-85)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка микролинейных пьезоприводов исполнительных устройств космических аппаратов
Продолжительность работ
2014 - 2016, 27 мес.
Бюджетные средства
45 млн
Количество заявок
1