Pri veldado en la kosmo

A. Kogan

1. Ĉefaj direktoj en la kosma teknologio

Nuntempe la kosma teknologio havas du ĉefajn direktojn:

La unua direkto de la kosma teknologio aperis danke al intensa pligrandiĝo de la funkcidaŭro, maso kaj ampleksoj de la orbitaj stacioj. Pri konstruado de daŭre funkciantaj orbitaj stacioj atentigis en siaj verkoj K. E. Ciolkovskij. En la 60-aj jaroj pri tiu direkto parolis ĉefa konstruisto de la spacŝipoj S. P. Koroljov. Laŭ lia iniciato estis organizitaj la unuaj en la mondo eksperimentoj pri veldado en la kosmo. En la jaro 1969 rezulte de la plurtaga flugo de tri spacŝipoj kun 7 komonaŭtoj estis plenumita ampleksa laboro:

Tiu ĉi dato fariĝis naskiĝtago por la kosma teknologio, ĉar la eksperimentoj montris eblecon produkti en la kosmo unikajn materialojn pere de ties elvaporiĝo kaj kondensado ĉe sengraviteco.


2. Specifeco de la teknologio pri kelkaj rimedoj de arka veldado en la kosmo

Estas konate, ke veldado estas teknologia procedo por ricevado de nedisigebla kunigo el metaloj, iliaj alojoj kaj aliaj materialoj (plastoj). Por efektivigi la veldadon estas bezonata alproksimigo de kunigataj partoj de materialoj je certa distanco. La distanco egalas parametron de la kristala reto — atoman radiuson (10-8 cm). Tion oni povas atingi rezulte de loka aŭ ĝenerala varmigo de la veldataj pecoj aŭ pere de plastika deformado aŭ pere de la kuna efiko de ambaŭ (vidu Fig. 1.).

1 — velda junto;
2 — zono de termika influo;
3 — baza metalo.
a) ark-veldado, b) prem-veldado
figuro 1.:   Velda kuplo

Ĉiuj procedoj de veldado de metaloj kaj plastoj nuntempe estas efektivigataj pere de nur tri specoj de energio: termika, mekanika, kaj termomekanika. Termikaj procedoj efektiviĝas sen premo (ark-veldado), kaj ceteraj kutime sub premo (prem-veldado).

Ĉefaj diferencoj inter la kosmaj kaj teraj kondiĉoj estas jenaj:

Ĉe la kosma ark-veldado transiro de gutoj estas 15-30-oble pli malofta ol sur la Tero ĉe la samaj veld-reĝimoj. La gutoj transiras en la veldan junton ĉe hazardaj tuŝoj de metala velda kuvo (vidu Fig. 2.). Altiĝo de ark-longo (l) rezultas pligrandiĝon de la gutoj de fandita elektroda metalo (8).

1 — elektroda drato;
2 — mekanismo por puŝi elektrodan draton;
3 — gasa atmosfero de la arko;
4 — velda kuvo;
5 — solidiĝinta skorio;
6 — kristaliĝinta metalo de la junto;
7 — baza metalo;
8 — gutoj de fandita elektroda metalo;
9 — fonto de kurento;
h — profundo de trafandiĝo;
l — arkolongo.
figuro 2.
Principo de la ark-veldado (sageto indikas direkton de la veldado)

La formo de la gutoj estas sfera, ĉar ĝin plejparte influas la fortoj de la surfaca tensio. Pro la grandguta transiro de la metalo oni ne povas ricevi altkvalitan junton (6). Por plibonigi formiĝon de veldaj juntoj la kosmonaŭtoj uzis specialajn teknologiajn rimedojn, garantiantajn etgutan transiron de la metalo. Ili efektivigis veldadon per la kurta arko kun kurtaj cirkvitoj de la arka interspaco kaj impuls-arkan veldadon kun speciala fonto de kurento (1-2) (vidu Fig. 3.) La eksperimentoj montris, ke la veldado per kurtaj cirkvitoj postulas pli longan labordaŭron, kaj estas malpli efika, ol impuls-arka veldado. Ĉefa specifo de la impuls-arka veldado konsistas en tio, ke dum la veldado sur la bazan veldan kurenton (J) (vidu Fig. 4.) estas surmetataj kurtedaŭraj impulsoj de la kurento Jj. Rezulte fandiĝo de elektroda drato (3 — Fig. 3.) okazas akcelite. La procedo de la transiro de la metal-gutoj estas tre stabila kaj sen grandaj elŝprucoj. La junton kun necesa profundo de trafandiĝo h (Fig. 2.) povus fari veldisto — kosmonaŭto de meza kvalifiko. La veldjuntoj egalas laŭ sia kvalito al la teraj veldjuntoj.

1 — fonto de kurento,
2 — generatoro de impulsoj,
3 — elektroda drato,
4 — veldata metalo.
figuro 3.
Principo de la impuls-arka veldado

Ui, Ji — mezaj valoroj de la tensio kaj kurento dum la impulso;
Up, Jp — mezaj valoroj de la tensio kaj kurento dum la paŭzo;
Tc — daŭro de la velda ciklo.
figuro 4.
Oscilogramo de la velda tensio kaj kurento dum la dum la impulsarka veldado:

Estis efektivigitaj eksperimentoj ankaŭ pri plasma veldado (veldado per kunpremita arko). Plasmon oni povas ricevi malgrandigante transversan sekcon de la arko (7 — vidu Fig. 5a, b), brulanta inter nefandebla katodo 2 kaj plasma duzo 4 (malvarmigata). Tiutempe velda kurento kaj la kvanto de elektronoj ne ŝanĝiĝas, sed pligrandiĝas iliaj elastaj interpuŝiĝoj. Samtempe temperaturo de la plasma arko kaj la grado de jonigo altiĝas. Plasmo povas atingi temperaturon ĝis 30 000 °C. Dum la varmiĝo la plasmoformanta gaso 3 dilatiĝas 50-100 oble. Tio ĉi kaŭzas intensan elfuon de la plasma torento kun rapido proksima al tiu de la sono.

a) de rekta efiko b) de nerekta efiko
1 — fonto de la kurento,
2 — nefandebla katodo,
3 — plasmoformanta gaso,
4 — plasma duzo,
5 — fokusiĝanta gaso,
6 — duzo por fokusiĝanta gaso,
7 — plasma arko,
8 — plasma flamo,
9 — veldata metalo (a,b) aŭ nemetalo (b)
figuro 5.
Skemo de ricevado de la plasma arka torento

Nuntempe en praktiko oni uzas du ĉefajn procedojn por konekti plasmotronojn. La unuan skemon (Fig. 5a) kaj la duan (Fig. 5b) oni uzas por plasma prilaboro de metaloj. La unuan skemon (Fig. 5a) kaj la duan (Fig. 5b) oni uzas por plasma prilaboro de metaloj. La duan skemon oni uzas ankaŭ por plasma prilaboro de nemetaloj. (vitro, ceramiko k. t. p.). Plasma veldado en la kosmo ne alportis anticipe atenditajn rezultojn. Oni supozas, ke rapido de la difuzo de la plasmoformanta gaso en la atmosferon de la spacŝipo superis la supozitan kaj ĝia koncentriĝo en la arka interspaco okazis ne sufiĉe por la subtenado de la kunpremita arko.

La plej bonajn rezultojn oni ricevis dum la elektron-radia veldado. En la procedo de la veldado estas uzata varmo, kiu estiĝas dum la bombardado per akcelitaj elektronoj sur la surfacon de la veldataj pecoj (vidu Fig. 6.). Mallarĝaj elektronaj faskoj, elradiataj de la katodo 2, fokusiĝas per la direktanta elektrodo 3. Plue ili estas akcelitaj per la anodo 4 en la faskon, kies diametro egalas diametron de la truo en la anodo. Por plidensigi la energion de la fasko oni fokusigas ĝin en la magnetan lenson 6 kaj direktigas sur la veldatan objekton 10 per la deviiganta lenso 7.

Specifeco de la elektrona fasko estas, ke ĝian energion oni povas transporti en vakuo ĝis grandaj distancoj for de la katodo. Nuntempe tiu ĉi fenomeno estas vaste uzata en la kosma teknologio.

La eksperimentoj montris, ke vaste uzataj sur la Tero procedoj de ark-veldado en la kosmaj kondiĉoj havas vicon de teknologiaj specifecoj:

  1 — fonto de alta akcelanta tensio (20 kV),
  2 — volframa katodo,
  3 — direktanta elektrodo,
  4 — anodo,
  5 — sistemo de la observado,
  6 — magneta lenso,
  7 — deviiganta lenso,
  8 — elektrona radio,
  9 — vakua kamero,
10 — veldata objekto,
11 — manipulatoro.
figuro 6.
Principo de elektron-radia veldado


3. Metodiko de realigo de la unuaj en la mondo eksperimentoj pri la veldado kaj tranĉado en la kosmo

La eksperimentoj estis efektivigitaj per la instalaĵo "Vulkan" (Vulkano), kiu estis produktita en la eksperimenta uzino de la Instituto de Elektron-veldado, portanta la nomon de J. O. Paton (JEV Paton). Ĝia maso estas 50 kg.

La velda bloko situis en orbita sekcio de la kosma flugaparato kaj panelo de telekontrolo en la kabino.

La eksperimentoj estis organizitaj en jena sinsekvo:


4. Pluaj eksperimentoj pri la ark-veldado en la kosmo kaj en la fluganta laboratorio

La jaro 1973 USONO. En la orbita stacio "Skylab"estis ripetita eksperimento pri aŭtomata elektron-radia veldado kaj tranĉado de metaloj.

En JEV-Paton kaj en la Centro por preparo de kosmonaŭtoj portanta nomon de J. A. Gagarin estis efektivigita granda amplekso de esploroj. La eksperimentojn oni aranĝis en la fluganta laboratorio de TU-104 (jeto), permesanta krei staton de relativa sengraviteco (dum mallonga tempodaŭro). Por obteni la ceterajn kosmajn faktorojn (vakuon, temperaturon) en la salono de TU-104 estis instalita speciala ekipaĵo. De 1973 ĝis 1978 en la fluganta laboratorio oni efektivigis eksperimentojn helpe de speciala instalaĵo, permesanta imiti munto-veldajn laborojn en la kosmo. Oni pristudis specifecojn de la permana ark-veldado, lutado, tranĉado en la kosmo kaj analizis influon de la ekipaĵo, la sistemon de la fiksado kaj preparo de kosmonaŭtoj sur kvaliton de ilia laboro. Nuntempe jam ekzistas kompleksa metodiko de la instruado kaj trejnado de kosmonaŭtoj-veldistoj.

Dum la eksperimentoj estis venkitaj malfavoraj faktoroj de la formado de veldaj juntoj en la kosmo per ellaboro de speciala velda ekipaĵo kaj de teknologiaj metodoj de la veldado. Oni konstatis ankaŭ pozitivajn faktorojn:


5. Eksperimentoj pri la prem-veldado sur la Tero cele de uzado en la kosmo

Dum la samaj jaroj aliaj institutoj de UdeSSR efektivigis eksperimentojn pri la prem-veldado (Eksplod-veldado, magnet-impulsa kaj difuza veldado), kiu evidentiĝis esti perspektiva por la kosma teknologio.

La eksperimentojn oni efektivigis sur la Tero, ĉar estis pruvite pli frue, ke la prem-veldadon sengravito preskaŭ ne influas.

Dum la eksplod-veldado la veldataj pecoj estas fiksataj paralele aŭ formas angulon (vidu Fig. 7.). La eksploda puŝ-ondo ĵetas la pecojn unu kontraŭ la alia kun rapido de 2000 — 8000 m/s kaj premo de 100 - 200 mil atmosferoj. Tio ĉi kaŭzas fortan proksimiĝon de la pecoj; oksigenaj kovraĵoj kaj aliaj surfacaj difektoj foriĝas kaj aperas fota metala kuplo.

Por la kosma teknologio la plej perspektivaj estas sekvaj eblecoj de la eksplod-veldado:

a) helpe de produktoj de brulanta ŝarĝo, b), c) detonacia veldado
1 — eksploda kamero,
2 — veldataj pecoj,
3 — detonatoro,
4 — transmisia piŝto,
5 — absorba tavolo,
6 — eksploda substanco,
7 — ŝtala subŝtofo,
8 — teknologiaj latoj.
figuro 7.
Principo de eksplod-veldado

Dum magnet-impulsa veldado, kiu estas speco de la eksplod-veldado, kunpuŝiĝo de veldataj pecoj efektiviĝas per impulsa magneta kampo pro efluvo de baterioj de kondensatoroj. La ĉefa avantaĝo de la magnet-impulsa veldado estas, ke parametroj de la reĝimo de la veldado (impuls-daŭro kaj rapido de kunpuŝiĝo) estas pli facile kontrolataj, ol dum la eksplod-veldado. La magnet-impulsa veldado en la kosma teknologio prezentas pli bonan perspektivon por veldado de tuboj, konsistantaj el heterogenaj materialoj (Al + Cu, Al + korod-firmeca ŝtalo, Zr + nerustebla ŝtalo, k. t. p.). Dum la procedo strukturo kaj mekanikaj proprecoj en la velda kuplo restas similaj al baza metalo.

Por efektivigo de eksperimentoj pri la difuza veldado en la kosmo estas nepra kondiĉo — vakuo. Difuza veldado efektiviĝas (vidu Fig. 8.) danke al difuzo de atomoj de kontaktantaj surfacoj de la veldataj pecoj 2 sub influo de temperamenturo kaj nesufiĉe granda plasta deformado. Fonto de la varmigo estas generatoro de alta frekvenco 5 kaj kunpremantan streĉon F garantias hidrosistemo 6.

Malfacileco de la difuza veldado en la kosmo estos nur en tio, ke necesas zorge prepari kuplotajn surfacojn. Tiun ĉi procedon de la veldado oni povos sukcese uzi por ripar-restarigaj laboroj en la kosmo.

1 — vakua kamero,
2 — manipulatoro kun la specimenoj,
3 — altvakua pumpilo,
4 — for-vakua pumpilo,
5 — generatoro de alta frekvenco,
6 — hidrosistemo.
figuro 8.
Pincipo de difuza veldado


6. Ripar-restarigaj laboroj en ĉirkaŭtera orbito

En la jaro 1975 en la stacio "Salut-4" estis efektivigita la unua en la mondo eksperimento pri restarigo de reflekta metalo-kovraĵo de la spegulo de la teleskopo.

Junie de la jaro 1979 en stacion "Salut-6" estis liverita instalaĵo "Isparitel" (Vaporigilo) per transporta kosma ŝipo "Progress-7" (Progreso). La instalaĵo estis ellaborita en JEV-Paton.

Esenco de laboro de la instalaĵo estas, ke elvaporigata materialo varmiĝas en penfandebla fandujo rezulte de ĝia bombardado per elektrona fasko. La fasko formiĝas pere de speciala elektron-radia kanono. La direktita fasko de la vaporo kondensiĝas en vakuo sur specimenoj de diversaj materialoj kaj formas kovraĵon. Por la elvaporigata materialo estis uzita arĝento. La specimenoj estis fiksitaj al speciala manipulatoro, permesanta distance fari ilian anstataŭigon. La eksperimentojn efektivigis kosmonaŭtoj V. Lahov kaj V. Rjumin.

La labora bloko de la instalaĵo estis lokita en kluzan kameron kaj la telereganta panelo — en la kabinon de la stacio. Dum la eksperimentado oni malhermetikigis la kluzan kameron kaj post estiĝo de vakuo oni ŝaltis la instalaĵon. Rezulte de la eksperimento estis ricevitaj 24 specimenoj kun difinitaj parametroj de reĝimo de la surfandado:

La reĝimoj estis registritaj per la kanaloj de la telemetrio.

Stacianaro de "Salut-6" dum sia multdiurna flugo multfoje restarigis laborkapablon de la stacio ankaŭ helpe de lutado. Surbaze de tiuj faktoj estis ellaborita specialigita kosmoŝipa aparataro, permesanta efektivigi ripar-restarigajn laborojn.

Dum la perfektigo de daŭre funkciantaj orbitaj stacioj oni kutimiĝos al ripar-restarigaj laboroj. Sen vasta uzo de la veldado, lutado, tranĉado kaj pulvorizo ne eblas eĉ imagi tiujn laborojn.

En futuro estos konstruataj interplanedaj kosmoŝipoj, kiuj havos altfidindan riparan ekipaĵon.


7. Veldado helpe de robotoj en la kosmo

Grandan helpon en la ripar-restarigaj laboroj kaj en la konstruado de orbitaj stacioj en la kosmo donos robotoj-veldistoj.

La unua kosma teledirektata roboto estis "Lunohod", kiu restigis rimarkeblan spuron en esploroj de Luno.

Roboto-veldisto havos multe pli respondecajn taskojn, tial por ĝia konstruado necesos solvi kelkajn problemojn. La kosma roboto-veldisto bezonas:

La lasta problemo estas iom malfacila. Unue, sengraviteco, same kiel por la kosmonaŭtoj, malfaciligas laboron en la kosmo de la robotoj-veldistoj. Due, muntado de orbitaj stacioj plejparte el nemagnetaj malpezaj metaloj kaj alojoj malebligas uzon de magnetaj apogiloj. Trie, ne eblas uzo de vakua alsuĉilo, kiu en la kosmo ne funkcios. Tial restas nur uzo de specialaj teknologiaj elstaraĵoj, kiuj taŭgos por orientiĝo de la roboto-veldisto.

Nuntempe oni diskutas en specialaj rondoj, kiamaniere necesas uzi robotojn-veldistojn. Aperis du ĉefaj direktoj de la diskutoj:

Pli verŝajne oni akceptos la lastan varion. Tio ĉi suprenigos la sekurecon de kosmaj laboroj precipe dum interplanedaj flugoj.


8. Konkludo

Jam estas ricevita granda sperto de la veldado en kondiĉoj de relativa sengraviteco dum mallonga tempointervalo en fluganta laboratorio de jeto TU-104 kaj en la kosmaj kondiĉoj.

La plej perspektivaj por la kosmo okazis sekvaj rimedoj de la veldado:

La elektitaj rimedoj de la ark-veldado havas grandan amplekson de fandita metalo kaj eliminon de la gasoj kaj vaporoj el la veldozono. Tial la rimedoj estas pli laborenhavaj, ol rimedoj de la prem-veldado. Sed por lastaj bezonatas zorgema preparo de veldataj surfacoj.

Estontece estos efektivigata perfektiĝo de la tekniko kaj teknologio de la veldado en kondiĉoj de longtempaj kosmaj flugoj.

Nuntempe estas malfacile imagi ĉiujn taskojn, kiujn starigos la scienc-teknika progreso antaŭ la kosma teknologio.


Fonto: Konferenca kajero de AEST '81, Apliko de Esperanto en Scienco kaj Tekniko, Žilina

Enretigo: Hegedόs Imre kaj Szilvαsi Lαszlσ
Scienca kaj Teknika Esperanto-Biblioteko,
STEB: www.eventoj.hu/steb/