Литейное производство в условиях микрогравитации: Физико-технические основы, исторический опыт СССР и перспективы In-Space Manufacturing (ISM)

Введение: Актуальность космического материаловедения и цели исследования

Ограничения, накладываемые гравитационным полем Земли, фундаментально влияют на процессы кристаллизации и формирования структуры литых материалов. Естественная конвекция, гидростатическое давление и сегрегация фаз, вызванные силой тяжести, препятствуют получению особо чистых, сверхгомогенных сплавов и композитов. Именно этот вызов — стремление преодолеть гравитационные ограничения для получения материалов с уникальными, недостижимыми на Земле свойствами — дал мощный стимул развитию нового научного направления: космического материаловедения.

Литье в космосе представляет собой технологический процесс получения фасонных отливок или слитков в условиях микрогравитации (невесомости) и глубокого космического вакуума. Состояние микрогравитации (микроускорений), достигающее уровня $10^{-4}$–$10^{-6} g$, позволяет управлять тепломассопереносом, почти полностью исключая гравитационную конвекцию, что открывает путь к созданию структур с исключительной однородностью. И что из этого следует? Способность контролировать процесс кристаллизации на молекулярном уровне позволяет создавать полупроводниковые материалы с идеальной кристаллической решеткой, критически важные для космической электроники.

Целью данного академического реферата является комплексный анализ физико-технических особенностей литейного производства в космических условиях. Работа ставит задачи: раскрыть фундаментальные физические процессы в невесомости, систематизировать исторический вклад советской космической программы, проанализировать технологические вызовы и сравнить свойства материалов, полученных на Земле и на орбите, а также обосновать стратегическую и экономическую целесообразность развития орбитального производства (In-Space Manufacturing, ISM).

---

Фундаментальные физические процессы литья в условиях микрогравитации

Ключевая особенность литейного производства в космосе заключается в радикальном изменении баланса физических сил, управляющих состоянием и кристаллизацией расплава. В условиях микрогравитации доминирование силы тяжести сменяется преобладанием поверхностных и капиллярных эффектов, что требует пересмотра классических моделей тепломассопереноса. Эти изменения определяют, насколько чистым и однородным будет конечный материал, а это самое важное для высокотехнологичных отраслей.

Подавление гравитационной конвекции и диффузионный массоперенос

На Земле, в жидких расплавах, разность плотностей, вызванная градиентами температуры и концентрации (термоконцентрационная неоднородность), немедленно приводит к возникновению естественной (гравитационной) конвекции. Эта конвекция является основным механизмом тепломассопереноса, определяя скорость смешивания компонентов, тем самым усложняя управление процессом кристаллизации и способствуя сегрегации фаз.

Интенсивность конвекции на Земле описывается безразмерным числом Рэлея (Ra), которое в типичных наземных литейных процессах превышает критическое значение в миллионы раз ($Ra \ge 10^{6}$).

В условиях микрогравитации на орбите, где ускорение свободного падения снижено в $10^{4}$–$10^{6}$ раз, гравитационная конвекция практически полностью подавляется. Это приводит к тому, что доминирующим механизмом переноса вещества и энергии становится диффузионный массоперенос. Это означает, что перемешивание компонентов происходит исключительно за счет хаотического теплового движения атомов, обеспечивая предельно равномерное распределение легирующих добавок.

Методологическое объяснение:

Число Рэлея в общем виде выражается как:

$$Ra = \frac{g \cdot \beta \cdot \Delta T \cdot L^3}{\nu \cdot a}$$

Где:

• $g$ — ускорение свободного падения.
• $\beta$ — коэффициент теплового расширения.
• $\Delta T$ — перепад температур.
• $L$ — характерный размер.
• $\nu$ — кинематическая вязкость.
• $a$ — коэффициент температуропроводности.

Снижение $g$ до уровня микроускорений ($10^{-4}$–$10^{-6} g$) приводит к пропорциональному снижению числа Рэлея. В результате, в космических условиях кристаллизация протекает в режиме, близком к чисто диффузионному, что критически важно для получения однородных структур.

Термокапиллярная конвекция (Марангони) и влияние микроускорений

Хотя гравитационная конвекция устраняется, невесомость не является идеальным состоянием покоя. На первый план выходят другие типы течений:

1. Термокапиллярная конвекция (Конвекция Марангони): При подавлении гравитационных сил, доминирующей становится конвекция, вызванная градиентами поверхностного натяжения ($\sigma$) вдоль поверхности раздела фаз (жидкость-газ или жидкость-твердое тело). Любой температурный или концентрационный градиент на поверхности расплава приводит к градиенту поверхностного натяжения ($\frac{d\sigma}{dT}$), что вызывает движение жидкости от областей с низким натяжением (горячих) к областям с высоким натяжением (холодным). Этот эффект Марангони критически влияет на процесс кристаллизации, особенно при бесконтейнерной плавке.
2. Влияние остаточных микроускорений: Орбитальные станции (такие как МКС) не находятся в состоянии абсолютной невесомости. На борту постоянно присутствуют остаточные квазистатические микроускорения (вызванные атмосферным торможением, работой систем ориентации, движением экипажа и механическими вибрациями). Типовой уровень этих микроускорений находится в диапазоне $10^{-4}$—$10^{-6} g$.

   Эти микроускорения, будучи в миллионы раз меньше земной гравитации, тем не менее, являются основным источником негравитационной конвекции. Они могут вызвать ламинарно-турбулентный переход в конвективных течениях, поэтому инженеры должны разрабатывать специальные системы активной и пассивной виброзащиты для технологических установок, обеспечивающие максимально стабильный режим кристаллизации.

---

Историческая хронология и вклад советской космической программы

Становление космического материаловедения неразрывно связано с пионерскими усилиями СССР и США в 1970-х годах, но фундаментальные предпосылки для работы человека с технологическими установками в космосе были заложены гораздо раньше.

Предпосылки: Первый суточный полет и роль Германа Титова

Фундаментальной предпосылкой для проведения сложных технологических экспериментов, таких как литье металлов, стала доказанная возможность длительного и эффективного пребывания человека в условиях невесомости. Эту возможность подтвердил полет второго советского космонавта, Германа Степановича Титова, на корабле «Восток-2» 6–7 августа 1961 года.

Полет Титова, продолжавшийся 25 часов 11 минут, стал первым суточным космическим полетом в истории человечества. Это достижение имело критическое значение: оно доказало, что человек способен не только выжить в невесомости, но и сохранять высокую работоспособность, выполняя сложные, требующие концентрации операции. Без этого доказательства планирование многодневных и многомесячных орбитальных миссий с научно-исследовательским и производственным оборудованием было бы невозможно. Полет Титова, таким образом, заложил медико-биологическую и эргономическую основу для последующих технологических экспериментов, включая эксперименты по литью.

Технологические установки и эксперименты на станциях «Салют» и «Мир»

Практическая фаза космического литья и материаловедения началась на советских орбитальных станциях серии «Салют» в середине 1970-х годов.

На орбитальной станции «Салют-6» (запущена в 1977 г.) были развернуты первые специализированные плавильные печи, доставленные грузовыми кораблями «Прогресс». Ключевое значение имели следующие установки:

1. Печь «Сплав»: Это была одна из первых советских резистивных печей для проведения технологических экспериментов. Она предназначалась для отработки процессов направленной кристаллизации и получения металлических сплавов в условиях микрогравитации.
2. Печь «Кристалл»: Эта установка дополняла «Сплав» и была ориентирована на выращивание высококачественных полупроводниковых материалов и монокристаллов, требующих точного контроля температурного поля.

Эти печи работали в температурном диапазоне, достаточном для плавки высокотемпературных материалов, включая титан и кремний (свыше 1400 °C), что позволило получить первые образцы, чьи физико-химические свойства отличались от земных аналогов.

Наиболее значительное развитие орбитальное производство получило на многоцелевом комплексе «Мир», особенно после стыковки модуля «Кристалл» (запущен в 1990 г.). Модуль «Кристалл» был спроектирован как опытно-промышленная лаборатория, нацеленная на крупномасштабное производство полупроводников, биоактивных веществ и других высокотехнологичных материалов. Внутри модуля находились модифицированные и более мощные установки:

Технологическая установка	Станция/Модуль	Назначение и особенность
«Сплав»	«Салют-6», «Мир»	Резистивная печь, первые эксперименты по литью металлических сплавов.
«Кристалл»	«Салют-6»	Отработка технологий выращивания монокристаллов и полупроводников.
«Зона-02» / «Зона-03»	Модуль «Кристалл» («Мир»)	Модифицированные установки для зонной плавки и направленной кристаллизации, обеспечивающие высокую чистоту процесса.
«Кратер-5», «Оптизон-1», «КСК-1»	Модуль «Кристалл» («Мир»)	Специализированные кристаллизаторы, используемые для получения материалов в условиях глубокого вакуума и контролируемой температуры.

Советская программа продемонстрировала не только принципиальную возможность, но и инженерную реализуемость получения высококачественных материалов в космосе, заложив основу для современных проектов In-Space Manufacturing.

---

Технологические проблемы и инженерные решения в космическом литье

Процесс литья в космосе направлен на устранение недостатков земного производства, но при этом сталкивается с уникальными технологическими вызовами, обусловленными самой космической средой.

Дегазация расплавов и бесконтейнерная плавка

Одной из наиболее критических проблем наземного литейного производства является газовая пористость отливок. Эта проблема возникает из-за растворения газов (в первую очередь водорода) в жидком металле и их выделения при кристаллизации. Кроме того, литье в песчаные или керамические формы (составляющее до 80% земного производства) сопряжено с риском загрязнения.

На Земле для высокоответственных деталей, таких как поршни из алюминиевых сплавов (согласно ГОСТ), существуют жесткие ограничения:

• Допустимая газовая пористость не должна превышать 2–3 баллов по специальной шкале.
• Содержание водорода в расплаве ограничено на уровне 0,30–0,35 см³ на 100 г металла.

Космическая среда предлагает два фундаментальных инженерных решения для борьбы с этими проблемами:

1. Использование космического вакуума: Околоземное космическое пространство обеспечивает глубокий вакуум ($10^{-9} — 10^{-12}$ мм рт. ст.), что на несколько порядков лучше, чем в лучших земных вакуумных камерах ($10^{-2} — 10^{-3}$ мм рт. ст.). При плавке и разливке в таком вакууме происходит интенсивное улетучивание растворенных газов, включая водород, что практически полностью исключает газовую пористость. Вакуум также защищает расплав от окисления.
2. Бесконтейнерная плавка и литье: Отсутствие силы тяжести позволяет удерживать расплавленный металл в форме шара исключительно за счет сил поверхностного натяжения. Это устраняет контакт расплава со стенками тигля или формы, исключая загрязнение металла примесями контейнера. Расплавленный шарик металла в невесомости может быть практически идеальной сферой, что позволяет реализовать литье с высокой точностью и чистотой. Разве не ради такой идеальной чистоты и создается космическое производство?

Адаптация к экстремальным условиям орбитальной среды

Разработка технологического оборудования для космического литья требует учета жестких физических условий околоземной орбиты (НОО).

Фактор среды	Воздействие на процесс и оборудование	Технологическое требование
Температурные колебания	На внешней поверхности КА: от −160 °C в тени до +160 °C на свету. Вызывает сильные термические деформации.	Необходимость высокоэффективной многослойной термозащиты и систем активного управления тепловыми потоками для поддержания стабильного температурного градиента в кристаллизаторе.
Радиационное облучение	На борту МКС: 0,5–0,7 мЗв в сутки (в 180–255 раз выше земного фона). Повреждение полупроводниковых компонентов и деградация материалов.	Использование радиационно-стойкой электроники, разработка материалов с повышенной устойчивостью к деградации и применение локальной радиационной защиты.
Остаточные микроускорения	Диапазон $10^{-4}$—$10^{-6} g$. Вызывает паразитные конвективные течения (негравитационная конвекция).	Применение систем активной и пассивной виброизоляции для минимизации внешних воздействий на плавильные установки.

Эти факторы требуют, чтобы оборудование для литья было не только высокоточным, но и чрезвычайно надежным, энергоэффективным и адаптированным к автономной работе в агрессивной среде.

---

Сравнительный анализ свойств материалов: Земля vs. Космос

Целью космического материаловедения является получение материалов с качественно новыми, улучшенными свойствами. Сравнение микроструктуры и механических характеристик образцов, полученных в невесомости, с их земными аналогами, выявляет существенные различия, обусловленные доминированием диффузионных процессов.

Однородность микроструктуры и коррозионная стойкость

Подавление гравитационной конвекции в космосе устраняет основной механизм, вызывающий гравитационную сегрегацию (расслоение компонентов по плотности) и неравномерное распределение легирующих элементов.

Количественное доказательство однородности:

Сплавы, такие как никель-алюминиевые и титано-алюминиевые интерметаллиды, полученные в условиях микрогравитации, демонстрируют значительно повышенную однородность микроструктуры. Этот эффект проявляется в уменьшении дендритного расстояния (DAS) — ключевого параметра, характеризующего размер ячеек кристаллизации.

При сравнении образцов, кристаллизованных при одинаковой скорости охлаждения, образцы, полученные в космосе, демонстрируют уменьшение DAS в среднем на 10–15% по сравнению с земными аналогами.

Меньшее и более равномерное дендритное расстояние свидетельствует о более тонкой и однородной структуре, что, в свою очередь, обеспечивает:

1. Повышенную коррозионную стойкость: Отсутствие крупных зон сегрегации предотвращает локальное разрушение материала.
2. Равномерность свойств: Механические характеристики (твердость, прочность) становятся более стабильными по всему объему слитка.

Различия в прочностных и проводящих характеристиках

Парадоксально, но, несмотря на общую однородность, некоторые земные образцы могут демонстрировать локально более высокие значения прочности, теплопроводности и электропроводности, чем их космические аналоги.

Это явление объясняется следующим образом:

• Земные условия (Гравитация): Сила тяжести способствует плотному осаждению более тяжелых фаз и легирующих элементов в нижней части расплава. Это приводит к формированию более сильной, концентрированной усадочной «раковины» и повышению локальной плотности в определенных зонах. В результате, в этих зонах наблюдается более плотная упаковка атомов, что способствует повышению прочностных и проводящих характеристик.
• Космические условия (Микрогравитация): В космосе распределение фаз происходит максимально равномерно. Сплав имеет более стабильные, но менее экстремальные свойства по всему объему.

Таким образом, космические материалы выигрывают в стабильности, однородности и чистоте, что критично для высокоточных оптических, полупроводниковых и жаропрочных сплавов, где важна не максимальная, а стабильная производительность. Наземные же технологии, несмотря на неоднородность, могут создавать локальные области сверхвысокой плотности, что дает преимущество в некоторых областях (например, при производстве теплоотводящих элементов).

---

Экономическая целесообразность и долгосрочные перспективы In-Space Manufacturing (ISM)

Концепция In-Space Manufacturing (ISM), или орбитального производства, является стратегическим направлением развития космонавтики, направленным на создание самодостаточной внеземной инфраструктуры. Литейное производство является одним из ключевых элементов этой концепции.

Оптимизация логистики и производство по требованию (On-Demand Fabrication)

Основная экономическая и стратегическая целесообразность ISM кроется в преодолении астрономической стоимости доставки материалов с Земли на орбиту или к дальним космическим объектам.

1. Сокращение логистической массы: Доставка каждого килограмма груза на низкую околоземную орбиту (НОО) или, тем более, к Марсу, сопряжена с огромными расходами. ISM позволяет заменить доставку запасных частей (ЗИП) и инструментов их производством по требованию (on-demand fabrication) непосредственно на борту.
   

   Стратегическая оценка: Для долгосрочных пилотируемых миссий, например, к Марсу, где запасы должны быть минимальными, а возможность ремонта критична, использование ISM для производства запасных частей и инструментов может потенциально сократить логистическую массу, доставляемую с Земли, на 20–30% от общего объема. Это делает миссию не только дешевле, но и реализуемее.

2. Крупногабаритные конструкции: Производство в космосе устраняет ограничения, накладываемые размерами и грузоподъемностью ракет-носителей. Ферменные конструкции, крупногабаритные антенны, отражатели и другие элементы космической инфраструктуры могут быть отлиты или выращены непосредственно на орбите, а затем собраны в структуры, значительно превосходящие по размерам любые конструкции, запускаемые с Земли.

Связь ISM с использованием местных ресурсов (ISRU)

Долгосрочная перспектива и максимальная экономическая целесообразность орбитального и внеземного литейного производства неразрывно связаны с развитием технологий использования местных ресурсов (In-Situ Resource Utilization — ISRU).

Если на околоземной орбите литье в основном использует доставленные с Земли материалы (сырье), то при освоении Луны, Марса и астероидов ISM должно опираться на местные ресурсы. Какой важный нюанс здесь упускается, когда мы говорим о самодостаточности? Без ISRU, орбитальное производство так и останется всего лишь дорогостоящей лабораторией, полностью зависящей от земной логистики.

• Лунные и марсианские реголиты: Эти материалы содержат оксиды металлов (железо, алюминий, титан), которые могут быть извлечены и переработаны в сырье для литья.
• Вода с Луны/астероидов: Вода может быть разложена для получения кислорода (окислитель) и водорода (топливо и восстановитель), необходимого для технологических процессов.

Только интеграция ISM с ISRU позволит создать замкнутый, автономный производственный цикл на внеземных объектах. Литье в этом контексте будет использоваться для производства защитных экранов, элементов обитаемых модулей, компонентов двигателей и инструментов для дальнейшей добычи. Таким образом, литейное производство становится не просто научным экспериментом, а критически важным звеном в цепочке обеспечения миссий дальнего космоса.

---

Заключение

Литейное производство в условиях микрогравитации представляет собой уникальный технологический плацдарм, позволяющий преодолеть фундаментальные ограничения земной гравитации. Основой этого прорыва является подавление естественной конвекции, что переводит тепломассоперенос в режим, близкий к чисто диффузионному.

Исторический опыт, заложенный советской космической программой, начиная с доказательства работоспособности человека в невесомости (полет Г. Титова) и заканчивая разработкой специализированных печей («Сплав», «Кристалл») на орбитальных станциях «Салют» и «Мир», подтвердил инженерную реализуемость процессов литья в космосе.

Анализ показал, что космическое литье эффективно решает такие критические проблемы, как газовая пористость (благодаря глубокому космическому вакууму) и загрязнение расплава (благодаря бесконтейнерной плавке). Однако процесс остается чувствительным к остаточным микроускорениям ($10^{-4}$—$10^{-6} g$) и требует адаптации оборудования к экстремальным температурным перепадам (от $-160^\circ C$ до $+160^\circ C$) и высокому радиационному фону НОО.

Сравнительный анализ свойств материалов подтверждает, что материалы, полученные в космосе, демонстрируют исключительную однородность микроструктуры, что подтверждается уменьшением дендритного расстояния (DAS) на 10–15%. Это обеспечивает стабильные физико-механические свойства по всему объему.

Долгосрочная перспектива развития литейного производства лежит в сфере In-Space Manufacturing (ISM). ISM является стратегическим императивом, позволяющим не только сократить логистическую массу (потенциально на 20–30% для дальних миссий), но и создать крупногабаритные конструкции на орбите. В перспективе освоения Луны и Марса, экономическая целесообразность ISM будет зависеть от успешной интеграции с технологиями использования местных ресурсов (ISRU). Таким образом, космическое литье — это не только область фундаментальных исследований, но и критически важная технология для строительства будущей внеземной цивилизации.

Список использованной литературы

1. Гришин С. Д. Космическая технология и производство. Москва: Знание, 1978.
2. Гришин С. Д., Пименов Л. В. Путь к заводам на орбитах // Известия. 1976. 12 августа.
3. Авдуевкий В. С., Гришин С. Д., Пименов Л. В. К орбитальным заводам будущего // Правда. 1977. 20 февраля.
4. Беляков И. Т., Борисов Ю. Д. Технология в космосе. Машиностроение, 1974.
5. Невесомость. Физические явления и биологические эффекты. Москва: Мир, 1964.
6. Хайкин С. Э. Силы инерции и невесомость. Москва: Наука, 1967.
7. Processing and manufacturing in space. Proceedings of symposium, Frascati, Italy, 1974.
8. Material in space. Proceedings of symposium, Frascati, Italy, 1976.
9. Сплавы из космоса. Материалы с улучшенными свойствами для авиации и смартфонов // poisknews.ru. URL: https://poisknews.ru (дата обращения: 22.10.2025).
10. КОСМОС ГЛАЗАМИ ЛИТЕЙЩИКА // Наука и жизнь. URL: https://www.nkj.ru (дата обращения: 22.10.2025).
11. Benefits of In-Space Manufacturing Technology Development for Human Spaceflight // researchgate.net. URL: https://www.researchgate.net (дата обращения: 22.10.2025).
12. Космическое материаловедение: Учебное пособие. URL: https://www.hse.ru (дата обращения: 22.10.2025).
13. Поверхностное натяжение, структура и свойства литых жаропрочных никелевых сплавов // cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru (дата обращения: 22.10.2025).
14. Трудный полет Германа Титова // cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru (дата обращения: 22.10.2025).
15. Орбитальная станция «Салют-6» // gctc.ru. URL: https://www.gctc.ru (дата обращения: 22.10.2025).
16. Стыковочно-технологический модуль «Кристалл» // gctc.ru. URL: https://www.gctc.ru (дата обращения: 22.10.2025).
17. Кристалл (модуль орбитальной станции «Мир») // Wikipedia. URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения: 22.10.2025).
18. Промышленная лаборатория на орбите: 11 тонн экспериментов в модуле «Кристалл» // prokosmos.ru. URL: https://prokosmos.ru (дата обращения: 22.10.2025).
19. 6 августа 1961 года Герман Титов совершил первый суточный космический полёт // historyrussia.org. URL: https://historyrussia.org (дата обращения: 22.10.2025).
20. In-Space Manufacturing: Technologies, Challenges, and Future Horizons // mdpi.com. URL: https://www.mdpi.com (дата обращения: 22.10.2025).
21. Manufacturing in Space (Jackson & Joseph) – Space Systems: Emerging Technologies and Operations // pressbooks.pub. URL: https://pressbooks.pub (дата обращения: 22.10.2025).
22. Елизарова Т. Г., Калачинская И. С., Милюкова О. Ю. Влияние квазистатической компоненты микроускорений на режимы термокапиллярных течений // msu.ru. URL: https://www.msu.ru (дата обращения: 22.10.2025).
23. Конвекция и перенос тепла в жидкости при пониженной гравитации и учете термокапиллярных эффектов // cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru (дата обращения: 22.10.2025).