Учёные ИФПМ СО РАН рассказали о разработках новых видов стекла для иллюминаторов МКС

Институт физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН работает над улучшением свойств иллюминаторов. Проблема заключается в том, что космические иллюминаторы находятся в агрессивной среде. В стёкла с огромной скоростью ударяются метеороиды и микрочастицы космического мусора, что разрушает поверхностный слой, образует кратеры, окружённые трещинами длиной до нескольких миллиметров. По заданию Ракетно‑космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королёва учёные ИФПМ СО РАН провели расчёты, позволившие установить допустимый срок эксплуатации иллюминаторов на МКС.

Как объяснил заведующий лабораторией материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ СО РАН профессор Виктор Сергеев, его подчинённые получили фотоснимки внешних стёкол иллюминаторов Российского сегмента МКС. Совместно с коллегами из НИИ прикладной математики и механики ТГУ смоделировали ситуации соударений 120 стёкол‑образцов и высокоскоростных микрочастиц, развивающих ту же скорость, что и в условиях открытого космоса, с помощью специальной установки. Это позволило определить, как на механическую прочность стёкол влияет количество кратеров, их размеры, глубина и расположение.

После проведённых тестов учёные провели оценку остаточного ресурса эксплуатации иллюминаторов с помощью специальных расчётов. По этим расчётам, иллюминаторы на МКС прослужат ещё как минимум до 2030 года.

Для повышения ударной стойкости и срока службы иллюминаторов учёные из лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ СО РАН провели исследования по использованию в иллюминаторах других видов стёкол, (сейчас в России используются иллюминаторы с кварцевым стеклом на основе оксида кремния).

Как уже говорилось, в исследования использовались различные виды стёкол, например стёкла на основе оксида натрия, на основе оксида кальция и оксида алюминия. Проведённые исследования показали, что оптические стёкла на основе оксидов натрия и кальция не превосходят по долговечности кварцевые, а их стоимость гораздо выше. Стёкла из лейкосапфира (основу стёкла составляет оксид алюминия) превосходят кварцевые по твёрдости в 1,5 раза и в 2 раза по плотности, однако стоимость такого стекла в 3 раза выше, чем у кварцевого.

Кроме исследований других видов стёкол, для эффективного повышения ударной стойкости кварцевых стёкол и приближения их характеристик к лейкосапфировым, учёные предложили нанести на кварцевые стёкла многоуровневые покрытия (до 10 слоёв) с помощью ионно‑плазменного оборудования.

Повышение прочности стёкол за счёт нанесения защитных покрытий позволит уменьшить их толщину, вес и экономические издержки. Первая партия таких стёкол с защитными покрытиями уже успешно прошла необходимые испытания и передана в РКК «Энергия» для оснащения новых космических кораблей.

К 2026 году в ИФПМ СО РАН планируют создать стёкла с защитными покрытиями для иллюминаторов большого диаметра (до 50 см). Эти разработки должны открыть новые возможности для работы оптических приборов (телескопов и съёмочной аппаратуры).