 | | |
4.9.3. Увеличение степени дробления "смеси" вещества с пустотой (переход к КПМ).
Примеры:
Шаги 1-4, 7. Эволюция вещества автомобильных шин:
- шина из сплошного вещества,
- шина с воздушной полостью (камерой),
- многокамерная шина (полость разделена перегородками),
- макропористые шины,
- шины из КПМ,
- шины с полостью заполненной пористыми полимерными частицами и гелеобразным веществом (пат. РФ 908243).
Шаги 1-2. Даже лемех плуга преображается: из сплошного в полый, перфорированный - в него подают жидкость, удобрение, выхлопные газы двигателя (в качестве удобрения), по нему пропускают электрический ток для уничтожения сорняков.
Подобная эволюция характерна и для многих живых "систем", только природе на бесчисленные пробы и ошибки потребовалось миллионы лет поиска, прежде чем были найдены эффективные "технические решения". Например, аммониты - головоногие моллюски в раковинах, которые вымерли 80 млн. лет назад, а до этого 400 млн. лет жили на Земле, были хищниками и "разбойничали" в тогдашних морях и океанах, - так вот, эти аммониты были вначале очень неуклюжими, с трудом таскали на себе массивные спиральные раковины, но постепенно в сплошном веществе образовывались полости, они заполнялись воздухом, затем раковины превратились в многокамерные облегченные конструкции (только в последней по спирали камере, жилой, помещалось тело моллюска), в конечном итоге стали довольно совершенными гидростатическими аппаратами: от жилой через все остальные камеры проходил сифон, обеспечивающий регулировку плавучести.
Шаги 1-5. А.с. 435829: эластичное компенсирующее изделие для уплотнения (герметизации) перчаток и носков в скафандрах при высотных полетах. Обычное уплотнение представляет собой кольцевую эластичную трубку, в которую нагнетают воздух. Предложено в кольцевую камеру охватывающую запястье помещать вкладыш из латексной губки с открытыми порами. При нормальном атмосферном давлении камера не работает, во вкладыше содержится определенное количество воздуха. Если давление окружающей среды падает, то воздух выделяется и камера раздувается до уравнивания давления. Здесь КПМ использован как хранитель газа.
Шаг 5. Заполнять поры КПМ может не только газ. Есть, например, детали ракетных двигателей работающие при температурах 40000С и выше. Ни один материал не выдерживает таких температур, точка плавления самого тугоплавкого металла вольфрама - 39000С (керамика не годится из-за резких динамических нагрузок). Пористый вольфрам заполняют медью - пока не испарится.
Наиболее наглядным преимуществом перехода к КПМ служит резкое уменьшение веса конструкций (при сохранении прочности). Часто вес - главная характеристика ограничивающая в земных условиях дальнейшее развитие технических систем.
Например, для изготовления оптических зеркал диаметром 1 метр и более раньше использовали сплошной материал, однако огромная трудоемкость и невозможность эффективной термостабилизации при одностороннем нагреве (большая тепловая инерция) вынудили перейти на облегченные конструкции.
Обычно это две пластины (одна из них имеет зеркальную поверхность), жестко соединенные ребристым каркасом, который образует структуру из правильных шестиугольников, треугольников или квадратов. Такие зеркала удается облегчить по сравнению с монолитными тех же размеров и жесткости в 2,5-4 раза. В результате зеркало диаметром, например, 1 метр будет весить 300 кг. Чтобы еще уменьшить вес, в Институте общей физики РАН стали создавать крупногабаритные зеркала из пористых материалов. Зеркало диаметром 1 метр состоит из корпуса, изготовленного из пористой меди, верхней зеркальной пластины толщиной 5 мм из монолитной меди и нижней пластины, так же толщиной 5 мм из нержавеющей стали. Общая толщина такого зеркала составляет 100 мм., вес - 150 кг.
Вес пористой меди, из которой изготовлен корпус зеркала, составляет всего 17% от веса монолитной меди, занимающей тот же объем. Размер элементарной пористой ячейки примерно равен 1,5 мм.
Сейчас можно получать пористые материалы из металлов и их сплавов с пористостью, доходящей до 98% и размером ячеек от десятков микрон до десятков миллиметров (Письма в ЖТФ, 1985, т.11, вып. 22, с. 1350-1354).
Шаги 1-6. Первые способы преграждения распространения пламени в газопроводах или воздуховодах представляли собой щелевые металлические вкладыши, слой шариков и даже сетчатые кассеты с песком. Здесь главное техническое противоречие: огнепреградитель должен иметь большие "дырки" для того,
чтобы хорошо пропускать газ, и "дырки" должны быть очень маленькие для эффективного задержания пламени. То есть идеальный огнепреградитель должен состоять почти что из одних только мельчайших "дырок" с перегородками минимальной толщины. По а.с. 262822 предложено использовать КПМ из прессованных ниток металловолокна. А чтобы еще больше снизить гидравлическое сопротивление, следует использовать вставку с большими диаметрами отверстий, но с наложением электростатического поля (а.с. 369913) - оно позволяет в три раза увеличить диаметр по сравнению с критическим.
Тенденция "дробления" пустоты хорошо видна на истории развития способов подъема затонувших кораблей (Гора Джозеф Н. Подъем затонувших кораблей. Л.: Судостроение, 1985).
Сначала использовался механический способ - на корабле закрепляли канаты и поднимали его на поверхность. Однако не всегда удавалось провести операцию подъема, так как штормы на поверхности моря и меняющие свое направление подводные течения создавали путаницу в системе тросов.
Предлагалось использовать подземную силу более легких, чем вода жидкостей бензина, соединений аммиака и пр. Жидкость закачивалась бы в полости затонувшего судна и вытесняла бы воду. Но из -за малой подъемной силы от жидкостей отказались и в дальнейшем использовали только газы (воздух).
Наиболее часто использовали понтоны: их затопляли, прикрепляли к судну по обоим бортам, продували сжатым воздухом (полость - заполнение водой - снова полость). Основные недостатки: огромные трудности закрепления понтонов на больших глубинах, затонувшее судно с понтонами при достижении плавучести может выскочить на поверхность с такой скоростью, что понтоны разлетятся вдребезги или из них выйдет воздух и судно снова погрузится в пучину океана. Последнее объясняется тем, что оторвать судно от дна - иногда сложная проблема, так как из-за сцепления с грунтом или илом требуются усилия намного большие, чем при простом подъеме. Хорошие результаты были получены при использовании электролиза: к корпусу судна подключали кабелем "плюс", а недалеко от судна опускали второй кабель - "минус". Образующиеся пузырьки газа при разложении воды разрушали вредную связь в веполе - сцепление с грунтом падало до нуля. Разновидностью "понтонного" способа был способ использования плавучести самого корабля: проводилась тщательная герметизация судна (заделка всех отверстий) и продувка сжатым воздухом.
Чтобы не герметизировать судно (т.е. не изготовлять одну большую полость), хорошо было бы использовать много маленьких полостей - так возникла идея заполнения полостей корабля шариками для пинг-понга; простой расчет показал неосуществимость этой идеи - шарики лопнули бы уже на глубине 4,5 метра. Обсуждалась даже идея использования стеклянных полых шариков (дорого, ненадежно).
Самое простое "дробление" пустоты образование пены. В 1964 году для подъема баржи "Ламберджек" со дна Калифорнийской бухты впервые использовали твердый полиуретан. На спасательном судне - две емкости с компонентами пенополиуретана и вспенивающим веществом с низкой температурой кипения. На дне установили смесительную емкость (цистерну), откуда готовая смесь под давлением выбрасывалась в полости баржи (шприцем - водолаз). При выходе резко падало давление, вспенивающее вещество мгновенно испарялось, образовывалась газо-полиуретановая масса, через несколько минут масса затвердевала. 0,9 кг массы вытесняли 60,5 кг морской воды. Пена автоматически закупоривала небольшие отверстия (пробоины) и иллюминаторы затонувшего судна. На подъем 500-тонной баржи пошло 27 т. пенополиуретана. Одно плохо: для очистки помещений затвердевший пенополиуретан приходилось вырубать, т.е. дробить. Поэтому еще более эффективный и удобный в применении способ использования пены - ее предварительное дробление (превращение в гранулы).
Голландская фирма "Вейсмюллер", специализировавшаяся на ведении спасательных работ, применила новый способ подъема затонувших кораблей. В 1965 г. траулер "Джако-Мина" водоизмещением 108 т затонул в шести милях к северо-западу от голландского порта Эймейден. Судно длиной 27,4 м легло на грунт правым бортом на глубине 18 м. Поскольку размеры траулера не позволяли имевшемуся спасательному судну поднять его с помощью лебедок, то было решено воспользоваться полистироловыми шариками размером с горошину (из вспененного полистирола), состоявшими на 98% из воздуха и всего на 2% из самой пластмассы. Помимо того, что шарики совершенно не впитывали воду, они, в отличие от сжатого воздуха равномерно давившего во всех направлениях, создавали усилие, направленное только вверх. Шарики закачали по шлангам, в смеси с водой, в корпус траулера. 60 куб. м. гранул. Они уменьшили вес траулера настолько, что траулер легко подняли на поверхность. Впервые идею применения полистироловых гранул высказал датский изобретатель К.Крейер. Подобный способ - пат. ФРГ 1247893 (1967 г.): плавающие тела из пенопласта закачиваются в судовые помещения с помощью помпы со спасательного судна.
Удаление гранул из поднятого судна осуществлялось насосами для разгрузки зерна, то есть намного проще, чем при удалении пенополиуретана (ППУ). Кроме того, ППУ невозможно применять на глубинах более 90 м - не образуется пена, не хватает давления вспенивающего газа.
На подъем затонувшей землечерпалки (более 1000 тонн) в 1967 г. по способу Крейера потребовалось 27 т гранул. Это, все же, немало. Как уменьшить затраты на транспортировку? Другая голландская фирма "В.А.Ван ден Так" применила остроумный способ - микрокапсулирование - для подъема датского грузового судна водоизмещением 4,2 тыс. тонн, масса которого была в 31 раз больше "Джако-Мину". Полистироловые гранулы (зародыши гранул - микрокапсулы) размером с сахарные песчинки закачивали по шлангам в судовые отсеки потоком воды под давлением, а затем нагревали водяным паром - в результате их первоначальный объем увеличивался в 50 раз. Портативная установка для производства микрокапсул на месте легко транспортируется самолетом в любой уголок земного шара.
Итак, развитие способов подъема затонувших кораблей шло путем использования:
- сплошного тела (подъем затопленного судна тросами без вытеснения воды из внутренних отсеков судна),
- больших полостей (понтонов),
- множества маленьких полостей (твердая пена - ППУ),
- дробленой пены - шариков, гранул из вспененного пластика,
- зародышей пенопластовых гранул (микрокапсул).
Незнание подобных закономерностей дорого обходится обществу - годы уходят на то, чтобы стихия изобретательства натолкнулась на прогрессивные технические решения, связанные с применением КПМ и сопутствующих этим веществам эффектов. Показательна в этом смысле история разработки в Институте общей физики РАН новых типов зеркал для мощных лазеров ("Наука и жизнь", 1985, № 9, с. 50 -53).
Практически во всех типах лазеров генерация возникает в резонаторе, состоящем минимум из пары оптических зеркал. Через одно из них (например, полупрозрачное) излучение выводится наружу. Поначалу прекрасно обходились традиционными кварцевыми дисками с зеркальным покрытием. Но за последние годы мощность лазеров выросла в сотни, тысячи раз. Возникла проблема создания зеркал, способных работать под воздействием мощного излучения. Эта проблема стала одной из ключевых для совершенствования мощных лазеров.
Даже зеркало с очень хорошей оптической поверхностью не полностью отражает падающее на нее излучение, примерно 1% его поглощается и превращается в тепло. В мощных лазерах этого достаточно, чтобы в зеркале возникли термические напряжения. Они искажают геометрическую форму отражающей поверхности, поэтому невозможно добиться концентрации пучка излучения в малой области (в точке) Тепловые деформации, кроме того, приводят к срыву генерации: лазер перестает быть лазером.
Каков предел для тепловых деформаций? Он не должен превышать 5-10% от длины волны лазерного излучения. То есть, например, для СО-лазера с излучением в ИК-области (длина волны 10,6 мкм) искажения не должны быть больше 1 мкм. Если такое зеркало взять в руки, то уже через несколько секунд из-за неравномерного нагрева теплом руки деформации оптической поверхности превысят допустимую величину. Но это временная "порча" - упругие (обратимые) деформации.
Кроме упругих деформаций может наступить при больших мощностях пластическая деформация, тогда участок зеркала "поплывет", разрушится.
Требуется создать зеркала, которые бы выдерживали длительные нагрузки до нескольких киловатт на 1 кв. см. поверхности. Такой поток энергии сравним с потоком, излучаемым Солнцем с единицы поверхности. Это значит, что если мы "положим на Солнце" зеркало, то его форма не должна измениться больше, чем на микрон!
Путь решения этой задачи был такой:
Физики рассудили просто: кварц плохо проводит тепло, заменим его на металл. Но металл непрозрачен, придумали пропускать излучение (сделать металл как бы полупрозрачным) через отверстие в центре диска, как через диафрагму фотоаппарата (рис. 21 а).
Рис. 21. Разработка зеркала для мощного лазера.
1 - резонатор, 2 - металлические зеркала, 3 - поток лазерного излучения, 4 - зеркальная поверхность, 5 - теплоноситель, 6 - КПМ, 7 - пар.
а) блок резонатора, излучение выводится через отверстие в зеркале,
б) зеркало с канальной стурктурой, поток теплоносителя охлаждает оребренную стенку,
в) зеркало охлаждается теплоносителем, протекающим через пористый материал,
г) вода подается к отражающей поверхности по каналам, закипает, смесь жидкости и пара выносится в поперечный поток теплоносителя, охлаждается и выводится за пределеы зеркала.
Металлический диск хорошо отводил тепло, но имел и недостатки: высокий коэффициент теплового расширения (легко меняет свои размеры и форму при изменении нагрузки), низкая твердость - трудно отполировать так же хорошо, как и кварц.
(Примечание: даже такое техническое решение замена кварца на металл - показалось диким, необычным, оно буквально шокировало оптиков - специалистов по изготовлению зеркал).
Затем, начался поиск лучшего состава: металлы, сплавы; были перепробованы практически все доступные для массового применения сплавы. В результате такого поиска удалось увеличить в 10 раз порог оптической работоспособности.
Но световые, а значит, и тепловые нагрузки росли (увеличение ГПФ).
Теплопроводность металла не могла обеспечить отвод мощного потока тепла. Как быть?
Требуется охлаждение - принудительный отвод тепла движущейся жидкостью. При охлаждении движущейся жидкостью количество отводимого тепла тем больше, чем выше разность температур нагретого тела (зеркала) и охлаждающей жидкости. Расчеты показали, что задача была бы решена, если эта разность составляла бы величину больше 1000 град. То есть зеркало должно иметь температуру около 1000 град. Но такая температура невозможна для металлического зеркала, так как нельзя обеспечить хорошее качество оптической поверхности при такой температуре. Противоречие: для хорошего теплоотвода нужна высокая температура, а для стабильности геометрической формы и других оптических характеристик зеркала нужны низкие температуры (комнатные).
Значит, гладкая поверхность тыльной стороны зеркала не обеспечивает требующуюся интенсивность теплоотвода. Чтобы увеличить поверхность теплопередачи протачивали канавки, прогоняли по ним воду. Чтобы ускорить теплоотвод стенки каналов сделали тонкими, но они дрожали, деформировались из-за пульсации воды. Противоречие разрешили переходом к КПМ.
Достоинства КПМ: большая поверхность теплоотдачи, хорошее перемешивание охлаждающей жидкости, которая движется в капиллярах, высокая механическая плотность - матрица-скелет надежно держит зеркальную поверхность и сохраняет ее геометрию. На КПМ наносят покрытие, полируют, оно становится зеркалом. Толщина покрытия - 100-500 мкм, не больше, иначе оно будет задерживать тепло. Способы нанесения: например, с помощью химических транспортных реакций из газовой фазы, то есть сборка из атомов. А это значит, что поверхность будет изначально очень гладкой (горбы и впадины не более 0,1 мкм), а после обработки (полировки) неровности составляют тысячные доли микрона.
Но... снова увеличение ГПФ, температура растет...
Значит надо так увеличить скорость движения теплоносителя, чтобы молекулы жидкости уже не "плыли", а "летели". Как это сделать? Противоречие: для хорошего теплосъема агент должен быть жидкостью (высокая теплоемкость), а для быстрой смены (притока-оттока с высокой скоростью) должен быть газом. Фазовый переход: при съеме тепла - жидкость, а при отводе - газ (пар). Жидкость должна кипеть, испаряться и стремительно уноситься из зоны нагрева. Для улучшения кипения - нагрев и пониженное давление воздуха (движению частиц пара не мешают молекулы воздуха). Тепловая труба! В качестве жидкости использовали расплавленный металл, который при испарении уносил с собой достаточно большие порции тепла. Скорость движения пара можно довести до скорости звука - это предел.
На таких зеркалах достигнута высокая интенсивность теплоотвода - несколько десятков киловатт с 1 кв. см., в принципе может достигать сотни киловатт/кв. см.
А дальше? Увеличение ГПФ - неостановимый процесс. Как отвести мощность в 1000 кВт/кв. см? Или 10000 кВт/кв. см?!
При такой мощности толщина стенки должна быть исчезающе малой (1 мкм, 0,001 мкм...), то есть ее не должно быть совсем. Да и само зеркало при температуре, скажем, 10000 град., исчезнет, станет газообразным (плазмой). Зеркала нет, а функция должна выполняться... Поле (луч лазера, электромагнитное излучение) должно само создавать себе зеркало пусть оно будет всегда жидкое (или газообразное) с постоянно обновляющейся поверхностью. Следующий физический предел (после скорости звука) - скорость света; если с такой скоростью будет отводиться тепло (ИК-излучение?), то мощность лазера может возрасти на несколько порядков.
В заключение по разделу можно отметить удивительную особенность перехода к КПМ: какие бы факторы не "подталкивали" развитие технических систем, будь то вес (телескопы), подъемная сила (антивес для подъема кораблей), высокая температура (зеркала лазера), результат развития один и тот же - появление в системе мелкопористых и капиллярно-пористых материалов.
|
вверх
