Человеческое любопытство по своей необъятности сравнимо со Вселенной. За тысячи лет нашего существования на планете мы пересекали якобы бескрайние океаны, погружались во мрак морских глубин, заглядывали внутрь самых маленьких составляющих живого организма, тем самым удовлетворяя свое любопытство. Однако, несмотря на стремительное развитие технологий и науки, многие исследовательские желания все же остаются нереализованными, ибо жадность к знаниям всегда была и будет быстрее любого научного прогресса. Ярким тому примером является исследование Космоса. У нас нет ретрансляторов, как в Mass Effect, нет звездных врат, как в Stargate SG-1, нет даже варп-двигателя, как в Star Trek, но это не останавливает нашего желания отправиться в далекий Космос. Но как это сделать с имеющимися на данный момент технологиями? Группа ученых из университета штата Вашингтон (США) разработала новый метод хранения и перемещения топлива на космическом корабле с помощью оригами. В чем особенности новой разработки, какие принципы заложены в его работе, и как оригами может помочь в развитии космонавтики? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Проблема исследования дальнего Космоса заключается, если утрировать, в том, что он дальний, очень дальний. К примеру, экзопланета Проксима Центавра b находится на расстоянии примерно 4.22 световых года от Земли, т.е. около 3.9 x 10¹³ км. Для сравнения, расстояние от Юпитера до Земли варьируется в течение года в пределах от 588 до 967 миллионов км. Pioneer 10, запущенный в 1972 году, долетел до Юпитера за 640 дней. Для исследовательского модуля это вполне терпимо, но для человека такой длительный полет был бы весьма проблематичен. Конечно, существует разница в технологиях отправки в космос автономных аппаратов и людей, но длительность полета все равно будет внушительная.


Pioneer 10

Сократить время полета можно за счет нового типа двигателей, над чем трудятся десятки, если не больше, умы со всех уголков нашей планеты. Пока этот вопрос остается открытым, единственным способом как-то расширить возможности исследования дальнего космоса является совершенствование уже имеющихся технологий и устройств. Часто это означает переосмысления топливных баков, в частности материалов, из которых они производятся.

Например, полимерные материалы не могут быть использованы ввиду охрупчивания (разрушения структуры), возникающего из-за криогенных температур внутри бака на определенных этапах его использования. При охлаждении до криогенных температур полимеры подвергаются первичному и, возможно, даже вторичному и третичному стеклованию, при котором подвижность постепенно уменьшающихся участков полимерных цепей ограничивается. Ниже 100 K вязкое молекулярное движение полимерных цепей, необходимое для возникновения пластической деформации, становится крайне незначительным даже при небольших нагрузках. Тесты на растяжение обычных инженерных пластиков BoPET (биаксиально ориентированный полиэтилентерефталат) и PI (полиимид) при температуре от комнатной до 77 K показали снижение относительного удлинения под нагрузкой на 80-90% и на 75% соответственно.

Ранее обойти эту хрупкость полимеров пытались за счет механического приведения в действие путем смятия. Был создан бак из тонких полимерных пленок для временного хранения жидкого водородного топлива в условиях микрогравитации. Под воздействием внешнего давления баллон сминался и выбрасывал хранимое в нем топливо. Следовательно, можно максимально эффективно использовать топливо. Но избежать проблем не так и просто. Подобная методика сжатия бака связана с неминуемой концентрацией напряжения в определенных местах изгиба материала (полимерной пленки). Уменьшать толщину этих пленок также переменчиво, ибо это приведет к образованию разрывов на вершинах изгибов. Если же учесть криогенные температуры, то такой бак становится буквально одноразовым.

Альтернативный метод смятия для механического приведения в действие топливного бака заключается в складывание полимерных пленок в кинематическое (кинетическое) оригами, т.е. в подмножество совместимых механизмов.

Совокупность механизмов в основном приводятся в действие за счет упругого отклонения компонентов внутри механизма и, таким образом, подвергаются минимальному трению во время движения, не требуют смазки и являются устойчивыми к усталости материала. А это крайне полезные характеристики для многих областей применения, в том числе и для космонавтики.

Кинетическое оригами это такое оригами, которое можно повторно складывать/раскладывать за счет совокупности панелей/граней и соответствующих складок/изгибов. Грани сгибаются/отклоняются, как петли, взаимодействуя друг с другом и с панелями, которые также могут изгибаться, создавая глобальную деформацию всей структуры оригами.

Из гнутых листов можно создать цилиндр для разнообразных кинематических сильфонов оригами, способных приводиться в действие в осевом направлении. В предыдущих исследованиях описывалось четыре типа оригами, каждый из которых обладает дискретной вращательной и осевой симметрией: оригами Креслинга, Миура-ори, гексагональные ячейки и оригами Йошимуры. Сходство между ними заключается в наличии элементарной ячейки (отдельного элемента структуры), которая повторяется по всей окружности одного ряда, совокупность которых и формирует сильфон.


Оригами Креслинга, оригами Йошимуры и Миура-ори.

Испытания оригами Креслинга и Миура-Ори с помощью установки Instron показали, что большая часть энергии, приложенной к этим сильфонам, может быть восстановлена (т.е. упруго сохранена).


Тестовая установка Instron.

Более тщательные тесты сильфонов Креслинга из BoPET и PI показали, что все образцы выдержали ? 10 000 циклов срабатывания, прежде чем образовались точечные отверстия в полимерной пленке. Эти сильфоны были более сжимаемыми (длина в сжатом состоянии данного сильфона составляет 5% от развернутой длины) и менее массивными, чем классические металлические сильфоны.

Оценка усталостной сопротивляемости проводилась с участием шестиугольного оригами из PI при температуре 77 К показала, что данный тип сильфона способен выдержать до 500 циклов, однако его сжимаемость ограничивалась 86% от развернутой длины.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили выяснить, есть ли такой тип оригами сильфона, который обладает высоким сопротивлением осевой усталости и высокой сжимаемостью при температурах ниже 77 К.

Подготовка к испытаниям

В ходе исследования было проведено тестирование гибкости (Gelbo Flex Testing) трех образцов BoPET пленки толщиной 76.2 мкм, помещенных в жидкий азот (77 К). Каждый из образцов проходил по пять циклов тестирования. Оригами сильфоны из BoPET (3 сильфона Йошимура и 3 сильфона Креслинга) тестировались по 100 раз при 77 К.


Таблица №1: данные по тестируемым образцам.


Изображение №1

Тестер Gelbo-flex был адаптирован для работы в дьюаре с жидким азотом с открытым отверстием для смены образцов при 77 К. Во время тестирования специальный вал, прикрепленный к одной из основ устройства приводит в движение образец, подвергая его двум фазам деформации:

• в первой фазе образец пленки одновременно скручивается и сжимается на 440 градусов и 90 мм;
• во время второй фазы активируется дополнительное сжатие пленки еще на 65 мм.

Полный реверс установки завершает цикл тестирования, работающим в диапазоне 0.2 — 2 Гц. Эта изменчивость частоты циклов и связанной с ними скорости деформации является приемлемой, поскольку механическое поведение полимеров при 77 К обычно имеет ограниченную зависимость от скорости деформации.

Во время предварительных тестов сильфон, созданный по схеме оригами Йошимура (2а), был приведен в действие 100 раз, чтобы проверить прочность данного варианта при криогенных температурах.


Изображение №2

Визуальный осмотр после тестов не выявил каких-либо повреждений. Далее в тестах взяли участие сильфоны из оригами Креслинга и оригами Йошимуры (для сравнения).

Оригами Креслинга (3а) было выбрано для тестов, так как его механическое и усталостное поведение при различных нагрузках хорошо изучено в условиях комнатных температур. Оригами Йошимуры подходит для определения, может ли изменение схемы оригами влиять на криогенную усталостную долговечность сильфона.


Изображение №3

В сложенном состоянии сильфон Креслинга имел высоту 81 мм и внешний диаметр 76 мм, а высота и диаметр сильфона Йошимуры составили 55 мм и 100 мм соответственно.

Для проведения испытаний на усталостную долговечность Gelbo-Flex тестер был модифицирован так, чтобы он срабатывал исключительно вертикально за счет удаления верхней пластины и спиральных направляющих, что позволило выполнить линейное срабатывание. Тестируемые сильфоны помещались в жидкий азот и сжимались до 10% исходной длины. После этого проводилась оценка целостности стенок сильфона для выявления возможных отверстий или разрывов посредством обычного красителя. Видимый красный краситель и неводный белый проявитель последовательно распылялись на отдельные стороны образца: любое проявление красителя на проявителе указывало бы на наличие точечного отверстия или трещины, через которую проникает краситель.

Результаты исследования

Визуальный осмотр трех образцов пленки BoPET, подвергнутых криогенным испытаниям на изгиб-скручивание, показал, что все образцы были достаточно сильно повреждены (4а).


Изображение №4

А вот сильфоны Креслинга и Йошимуры не показали каких-либо явных трещин при визуальном осмотре и испытании на проникновение красителя (4b и 4с — краситель остался лишь на одной стороне). Это обозначает увеличение усталостных характеристик материала более чем на 20 раз исключительно за счет применения геометрии оригами. Любопытно, что алюминиевая лента, расположенная вдоль складок на сильфоне Креслинга оказалась намного слабее, разорвавшись уже на третьем цикле сжатия-скручивания.

Отсутствие идентифицированных отверстий в испытанном сильфоне подтверждает предположение о том, что деформация в первую очередь является упругой, и поэтому сильфон из оригами может быть использован в качестве механических приводов при криогенных температурах. Кроме того сильфон из оригами можно использовать как складную подложку для электроники. А закрытие и герметизация одного конца сильфона с высокой степенью сжатия может позволить использовать данное устройство в качестве выталкивающего баллона, объемного жидкостного насоса или расширяемого разрывного диска.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых (альтернативная ссылка, альтернативная ссылка #2).

Эпилог

В данном труде ученые провели сравнительные тесты на прочность обычных полимерных пленок и сильфонов, собранных по разным схемам оригами. Неудивительно, что пленки смогли выдержать крайне малое число циклов скручивания-сжатия, разорвавшись на куски в результате. Но вот сильфоны из оригами показали значительно более успешные результаты. По завершению 100 циклов скручивания-сжатия на образцах не было выявлено каких-либо повреждений.

Это простой тест лишний раз показывает, что для улучшения характеристик какого-либо устройство необязательно менять его материал, достаточно лишь поменять его геометрию.

Устройство, протестированное в рамках данного исследования, может быть использовано в самых разных отраслях, в том числе и в разработке более экономных и эффективных топливных баков для космического транспорта.

Сами же авторы исследования намерены продолжить свои изыскания, а именно провести куда более «жесткие» тесты на выносливость с применением жидкого водорода, что позволит точнее оценить работу разработанного сильфона в сопряжении с ракетным топливом.

Да, у нас нет футуристических технологий, позволяющих преодолевать расстояния в несколько сотен световых лет за доли секунды, но у нас есть смекалка и настойчивость. Эти качества для ученых важны не меньше, чем опыт и предметные знания. Умение рассматривать нестандартные средства под новым углом и применять их в нужное время и в нужном месте является неотъемлемой частью технологического прогресса. И применение оригами для топливных баков ракетоносителей — тому яркий пример.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?