Будущие космические аппараты смогут самостоятельно устранять повреждения с помощью «самовосстанавливающихся» материалов

Космические аппараты будущего смогут обнаруживать и ремонтировать свои собственные структурные повреждения на орбите, что может сделать длительные миссии и многоразовые ракеты-носители более устойчивыми.

Самовосстанавливающиеся материалы для космических аппаратов изучаются уже много лет, поскольку инженеры ищут способы обнаружения и ремонта повреждений, возникающих после запуска. В настоящее время новые работы, поддерживаемые Европейским космическим агентством (ЕКА), направлены на продвижение этой концепции путём объединения обнаружения повреждений и ремонта в одной структурной системе.

Исследователи разрабатывают композитный материал, который может обнаруживать трещины и затем автоматически ремонтировать их с помощью тепла. По данным ESA, эта техника объединяет встроенные датчики, нагревательные элементы и самовосстанавливающийся композит из углеродного волокна в одной структуре.

Технология, получившая название Project Cassandra (сокращение от «Composite Autonomous Sensing And Repair»), использует композитный материал HealTech, который содержит особый восстанавливающий агент, встроенный в слои углеродного волокна.

Углеродные композиты широко используются в космических аппаратах, поскольку они лёгкие и прочные. Тем не менее со временем в них могут появляться микроскопические трещины в связи с вибрации при запуске, структурных нагрузок или резких перепадов температуры. При нагревании материал HealTech размягчается и даёт возможность встроенному восстанавливающему агенту проникнуть в мелкие трещины, соединяя повреждённые участки и восстанавливая прочность конструкции.

Для обнаружения повреждений инженеры встроили в слои композита оптоволоконные датчики. Эти датчики постоянно контролируют структуру и могут точно определять местоположение трещин или других дефектов. После обнаружения повреждения сеть небольших нагревательных элементов, расположенных в лёгких алюминиевых сетках, напечатанных на 3D-принтере, нагревает повреждённый участок до температуры от 100°С до 140°С, что активирует процесс восстановления.

Исследователи уже протестировали прототипы конструкций, начиная от небольших образцов и заканчивая панелями шириной приблизительно 40 сантиметров. Первые испытания показывают, что система может обнаруживать трещины, точно распределять тепло по повреждённым участкам и восстанавливать прочность конструкции после ремонта. Далее команда планирует протестировать адаптацию материала к более крупным формам, таким как полноразмерный криогенный топливный бак.

Одно из возможных применений — многоразовые космические транспортные системы, в которых аппараты должны выдерживать повторяющиеся циклы запуска и возвращения. Самовосстанавливающиеся конструкции могут сократить время проверки и затраты на техническое обслуживание между полётами, а равным образом продлить срок службы компонентов космических аппаратов. Эта техника также может оказаться полезной для деталей, подвергающихся воздействию экстремальных условий, таких как криогенные топливные баки, которые испытывают резкие перепады температуры.