Высокоточные и лёгкие
гибкие механизмы,
не знающие износа.
Наряду с забвением и ненадлежащим использованием важнейшим фактором поломок техники, основанной на движении деталей, является их износ. Появляющиеся засоры между рабочими поверхностями увеличивают трение, приводя к перерасходу энергии и, конечно, к потере функциональности целых узлов.
«Трение — серьёзная проблема, и его невозможно предотвратить», — говорит Жиль Фёзье, преподаватель образовательной программы по космическим технологиям, руководитель отдела технологий и науки в Космическом центре Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и сопредседатель конференции ESMATS по космическим механизмам и трибологии, прошедшей в Швейцарии с 24 по 26 сентября.
Да, увы, от трения нам никуда не деться, поэтому так много производится смазывающих составов и запасных частей для разных подвижных конструкций. Всё что нужно в таких условиях – вовремя проводить профилактику: менять условное масло в условном двигателе, кольца, вкладыши, колодки и так далее. Но что делать, если это не ваш автомобиль, а устройство, которое должно работать без вмешательства очень долго, в экстремальных условиях, да к тому же далеко? Что, если вообще в космосе?
Логика подсказывает, что первое, что нам стоит сделать — это уйти от трения. Но как заставить два элемента подвижной системы работать сообща? Учёные EPFL и CSEM — Швейцарского центра электроники и микротехнологии — работают над таким типом механизма, который имел бы большое разнообразие применений, включая космос и высокоточную метрологию. Выбор исследователей пал на механизмы иного типа — податливые, гибкие или упругие. Их эластичные свойства обеспечивают высокоточное движение без использования шарниров, а значит, и без трения. Они «не нуждаются в смазке и не изнашиваются», как заявляет Фёзье.
Тем не менее высокая точность, на которую они способны, омрачается ограничениями, налагаемыми их конструкцией. В отличии от традиционных решений, гибким системам не под силу как выдержать идеально прямые или округлые траектории, так и просто осуществить неограниченные вращения.
«Изгибы ограничены поворотами примерно на 40 градусов до достижения предела упругости. Непросто выйти за рамки этого», — поясняет Саймон Хенеин, доцент лаборатории микромеханического и часового дизайна EPFL (Instant-Lab), и тут же реабилитирует разработки тем, что «эти механизмы чрезвычайно надёжны».
Эта надёжность обусловлена тем, что это же ограничение и обеспечивает новым типам узлов независимость от износа трением, выливающуюся в долговечность устройства. Дело в том, что пока угол поворота не превышает определённого порога, сохраняется внутренняя структура материала. Это делает такие механизмы не подверженными даже усталости материалов и теоретически способно обеспечить чуть ли не бесконечное количество рабочих циклов.
Группа исследователей под руководством Саймона Хенеина и Флорана Козандье занята разработками способов компенсации восстанавливающей силы упругих материалов — той самой, которая естественным образом возвращает гибкий элемент в его изначальное состояние после деформации или смещения. По большому счёту, чтобы система продолжала работать, нам нельзя дать ей «успокоиться». Успех в этом деле сулит создание новых типов гибких соединений, которые выдерживают более высокие нагрузки и имеют больший ход.
Один из методов достижения этой цели основан на использовании паразитных движений — это можно наблюдать в маятнике: когда вы его отпускаете, он далеко не сразу останавливается в точке равновесия, а неоднократно проходит её прежде, чем успокоиться. Здесь же такое явление возникающих вследствие сложных траекторий изгибов упругого элемента. Это позволяет применять высокоточные гибкие механизмы в робототехнике и аэрокосмических системах, например в механизмах наведения будущих телескопов и позиционирования медицинских порталов.
Учёные также разработали новый осциллятор на основе изгибов с двумя степенями свободы, который демонстрирует высокую устойчивость к внешним линейным и угловым ускорениям, что делает его подходящим для использования на спутниках на орбите. Также при участии EPFL ведётся крупный научный эксперимент: в разработке находится мощный европейский детектор гравитационных волн — телескоп Эйнштейна.
«Телескоп Эйнштейна будет функционировать при криогенных температурах и потребует чрезвычайно высокого разрешения движения. Это идеальная среда для совместимых механизмов», — комментирует Хенейн.
Гибкие механизмы могут быть изготовлены из различных материалов, в том числе из стали, титана и алюминия. Исследователи обратились к аддитивным технологиям, которые стали мощным инструментом для создания сложных компонентов без необходимости в сборке и сложном производстве, и здесь они пришлись как нельзя ко двору.
«Сборка деталей означает добавление материала и увеличение веса, что всегда является проблемой в космосе. Аддитивное производство имеет преимущество, поскольку позволяет снизить общую массу полезной нагрузки», — говорит Хенеин.
«Некоторые из этих механизмов должны быть толщиной около 100 микрон, то есть тоньше человеческого волоса. Добиться такой тонкости по-прежнему непросто. У нас есть запросы от Европейского космического агентства, которые требуют адаптации наших процедур», — раскрывает мысль коллеги Эммануэль Онильон, руководитель отдела приборостроения в CSEM — Швейцарском центре электроники и микротехнологии, занимающимся производством инновационных устройств для исследователей.
Комплайн-механизмы идеально подходят для работы в суровых условиях космоса, будь то сканирование, наведение, калибровка, отбор проб или стабилизация спутниковых приборов и полезной нагрузки, такой как камеры и датчики. Их неотъемлемыми преимуществами являются устойчивость к экстремальным перепадам температур, надёжность в запылённых средах и возможность «бессрочного использования» благодаря отсутствию износа. Кроме того, они могут функционировать как эффективные системы демпфирования, поглощая вибрации в устройствах, требующих высочайшей точности, таких как системы лазерной связи между спутниками или зеркала телескопов. Однако сфера применения податливых механизмов простирается далеко за пределы космоса.