Использование магнитных материалов в космической технике

Разнообразие характеристик и специфических эффектов, наблюдаемых в магнитных материалах, позволяют отнести их к, так
называемому, классу «интеллигентных» или «умных» материалов. Накопленный в НПО им. С.А. Лавочкина опыт позволяет
говорить о перспективности использования их в космической отрасли.
К магнитным материалам относят материалы, которые после намагничивания сами начинают создавать магнитные поля, или же
в магнитных полях меняют свои физические характеристики (например, вязкость, упругость, жесткость или др.). Это
постоянные магниты различного химического состава, магнитные жидкости, магнитореологические суспензии, магнитопласты,
магнитоэласты.
Весьма эффектно ведут себя в магнитных полях магнитные жидкости (МЖ) и магнитореологические суспензии (МРС). Они
обладают высокой текучестью, управляемой магнитным полем, изменяют свою вязкость в зависимости от напряженности и
градиентности магнитного поля, оптическую проницаемость, обладают проникающей способностью в магнитных полях,
проявляют эффект автолевитации, т.е. выталкивают из своего объема немагнитные тела или взвешивают в своём объёме –
магнитные.
Магнитные жидкости представляют собой дисперсные коллоидные системы, состоящие из магнитной дисперсной фазы,
капсулированной для устойчивости МЖ поверхностно-активным веществом и равномерно распределенной в дисперсионной
среде. В качестве дисперсной фазы используют окислы железа - магнетит, гамма-окись железа, а также различные ферриты,
железо, никель, кобальт с размерами частиц несколько микрон. Дисперсионной средой (жидкостью - носителем) может быть
любая жидкость: вода, керосин, углеводородные и синтетические масла, различные синтетические жидкости, олигомерные
полифениловые эфиры, перфторированные эфиры, кремний-органические жидкости и т.д. Выбор дисперсионной среды
обусловлен условиями эксплуатации магнитных жидкостей.
Высокая коллоидная стабильность во времени, в гравитационном поле, а также в градиентных и постоянных магнитных полях
обусловило применение МЖ в магнитожидкостных узлах герметизации. Магнитожидкостные уплотнения имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными, особенно при герметизизации вращающихся валов. Они обеспечивают полную герметичность, выдерживают высокий перепад давления (один барьер выдерживает перепад давления до 2,5 атм), долговечны, имеют малые потери на трение, нечувствительны к погрешностям размеров и формы герметизируемых деталей, не требуют смазки. МЖ на
водной основе можно использовать в качестве коммутирующих элементов токосъемников. В космической отрасли впервые
магнитожидкостные уплотнения были применены для уплотнения выходного вала электромеханического привода в 1976 году и
успешно используются до настоящего времени.

Уникальные диссипативные характеристики МЖ, проявление демпфирующих свойств при микроперемещениях (микроны и
менее) раскрывают широкие перспективы использования МЖ в виброзащитных устройствах. В настоящее время для
космической отрасли разработаны разнообразные виброзащитные устройства. Это:

1)динамические гасители колебаний панелей солнечных батарей;
2)демпферы-виброизоляторы для полезных нагрузок космических аппаратов (КА);
3)амортизаторы транспортных контейнеров для КА.

В качестве примера можно привести низкочастотный динамический гаситель колебаний панелей солнечных батарей КА (см.
рис.1). При разработке гасителя была решена сложная задача обеспечения оптимального сочетания характеристик специально
созданной для этого магнитной жидкости (вязкости, намагниченности, температурного рабочего диапазона) и динамических
характеристик устройства. Рабочая частота гасителя была менее полутора Гц, рабочий диапазон температур - от минус 60 до
+100°C. При этом суммарная масса системы из 28 гасителей составила менее 2% от массы защищаемого объекта (панелей
солнечных батарей). На рис.2 представлены виброграммы колебаний тарированной консольной балки с установленными на ней
массоимитатором (рис.2а) и динамическим гасителем (рис.2б). Использование таких устройств позволило заметно уменьшить возмущения, приходящие на КА при колебаниях панелей солнечных батарей, и повысить производительность КА за счет более
быстрого успокоения колебаний КА после корректировок ориентации.

Рис.1 Виброграммы колебаний тарированной консольной балки с установленными на ней массоимитатором (по оси Х – время, сек).

Рис.2 Виброграммы колебаний тарированной консольной балки с установленными на ней динамическим гасителем (по оси Х –время, сек).

Для виброзащиты блоков двигателей–маховиков были разработаны несколько конструкций двухрежимных демпферов-виброизоляторов, которые на этапе выведения работают на больших амплитудах как демпферы, защищая блок
двигателей–маховиков от перегрузок, а на орбите работают как виброизоляторы, защищая полезную нагрузку от динамических
воздействий, создаваемых при работе самих двигателей–маховиков. Конструкции указанных устройств отличались способом
переключения с режима на режим и реализациями физических принципов диссипации энергии в магнитожидкостной системе
устройств. В ходе разработки были испытаны устройства, управляемые как непрерывно, так и релейно. Логическим результатом
проделанных исследований явилось создание нелинейного магнитожидкостного демпфера-виброизолятора, который сам, без
команды из вне, выбирает необходимый режим своей работы.
Еще одним примером использования МЖ в виброзащитных системах являются амортизаторы транспортных контейнеров для КА.
На рис.3 представлены амортизаторы транспортного контейнера для космического телескопа. Упругие элементы в этих
амортизаторах выполнены в виде дисков с нелинейной жесткостной характеристикой: у варианта, представленного на рис.3а, -постоянного профиля, на рис.3б - переменного профиля. Использование нелинейных амортизаторов позволяет унифицировать
элементы подвески при консольном закреплении телескопа в контейнере. Как и в случае с нелинейным
демпфером-виброизолятором, нелинейный амортизатор может работать в достаточно широком диапазоне амплитуд и частот.

Рис.3 Амортизаторы транспортного контейнера для космического телескопа

Разновидностью магнитных жидкостей являются магнитореологические суспензии (МРС). МРС также являются коллоидными системами, состоящими из ферромагнитной дисперсионной фазы, в качестве которой используют высокодисперсные порошки железа, например, карбонильного железа со средним размером фракций в интервале от 2 до 10 микрон. Могут быть использованы порошки кобальта, никеля или их смеси с порошками железа. В отличие от МЖ в МРС объемная доля
ферромагнетика составляет 10-50%, что и обуславливает проявления магнитореологического эффекта, выражающегося в
резком изменении вязкости при наложении магнитного поля. Вязкость может изменяться на несколько порядков.
Примером применения МРС является нагрузочное устройство для серии тренажеров для космонавтов, примененное на станции
«Мир». Представленное на рис.4 устройство работало от источника постоянного тока 1 А / 25 В. Устройство уникально тем, что
кроме малого энергопотребления имеет линейную характеристику (зависимость момента сопротивления (передаваемого момента) от силы тока или напряжения), малый момент страгивания и слабую зависимость момента сопротивления от скорости
сдвига (см. рис.5). Значительным преимуществом перед другими типами устройств подобного назначения является высокая
управляемость.

Рис.4. Нагрузочное устройство для тренажеров

Рис.5. Зависимость момента сопротивления от напряжения

Принцип действия заключается в передаче силы или момента от одной поверхности к другой через посредство среды (МРС),
помещенной между этими поверхностями. Под действием внешнего магнитного поля реологические свойства среды изменяются.
Изменение вязкости при этом может достигать четырех порядков.
В разработках космической отрасли кроме перечисленных выше новых материалов находят свое вполне заслуженное место и
постоянные магниты на основе Nd-Fe-B и SmCo.
На обтекателях космических головных частей используются воздушные пылезащитные клапаны с постоянными магнитами.
Клапан состоит из резинового рукава с прижимами из постоянных магнитов, расположенных в двух рядах в шахматном порядке,
и защищает пространство под обтекателем от проникновения пыли как на стартовой площадке, так и в полете, реагируя на
избыточное давление и боковой ветер. На обтекателе устанавливаются четыре клапана.

Клапан открывается при определенном избыточном давлении, а закрывается при более низком давлении. Диаграмма
зависимости пропускной способности клапана в зависимости от перепада давления представлена на рис.6. При этом пропускная
способность клапана зависит от величины избыточного давления.

Рис.6. Диаграмма зависимости пропускной способности клапана в зависимости от перепада давления

С использованием постоянных магнитов разработан также ряд фиксирующих устройств. В зависимости от выполняемых задач
они имеют различное конструктивное исполнение. Это: устройства одноразовой фиксации; устройства, обеспечивающие
многократную фиксацию и расфиксацию; устройства, имеющие высокую анизотропию жесткости; и устройства, позволяющие
после фиксации релаксировать (уменьшать) реакцию в фиксаторе; а также вибро- и ударозащитные фиксаторы и др.
На рис.7 представлен узел магнитной фиксации крышки пылезащитной для космического телескопа. Магнитная система
фиксатора обеспечивает безударную фиксацию крышки и создана таким образом, что поля от магнитов короткозамкнуты и не создают проблем в плане электромагнитной совместимости. Вес устройства составляет 85 Г. Усилие отрыва регулируемо и
может настраиваться в диапазоне от 3,5 до 9 кГ.

..Рис.7. Фиксаторы крышки пылезащитной.

Говоря о достоинствах магнитных материалов, следует упомянуть и об ограничениях на область применения таких материалов в
космической технике.
В первую очередь - это требования электромагнитной совместимости.
Во вторую очередь - ограниченный рабочий температурный диапазон. Например, для магнитов на основе SmCo - это (минус 60…
+200)°С, Nd-Fe-B - (минус 60… +150)°С. Для магнитных жидкостей диапазон рабочих температур обычно лежит в пределах
(минус 55… +100)°С. Нижняя граница обусловлена вязкостью жидкой фазы МЖ, а верхняя – химической стойкостью
поверхностно-активного вещества, использованного при производстве данной МЖ.
Кроме этого, магнитные жидкости необходимо герметизировать из-за наличия в их составе летучих фракций, которые могут
изменить функциональные характеристики оптической аппаратуры.

Однако, не смотря на некоторые ограничения, границы применения магнитных материалов в космической технике постоянно
расширяются.