Устройство для измерения твёрдости в условиях космического пространства Российский патент 2025 года по МПК G01N3/46 B64G4/00 

Изобретение относится к устройствам для определения физико-механических свойств металлов, в частности к устройствам для измерения твердости с помощью метода склерометрии в условиях космического пространства.

Из уровня техники известно устройство для измерения твердости (патент РФ на полезную модель №64778, МПК G01N 3/40, опубл. 10.07.2007), содержащее механизм нагружения индентора, датчик линейного перемещения и электронный блок регистрации перемещения индентора и вычисления твердости. При этом датчик силы, закрепленный на нижней петле пружины сжатия механизма нагружения, выполнен из элемента Холла, для которого управляющим элементом является постоянный магнит, установленный на инденторе, а датчик перемещения индентора выполнен из элемента Холла, который закреплен в корпусе твердомера и того же постоянного магнита.

Недостатком известной конструкции является то, что она не позволяет обойтись без участия человека, а также использование ее в условиях космического пространства является процессом весьма затруднительным.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов (патент РФ на полезную модель №157417, МПК G01N 3/40, B64G 4/00, опубл. 10.12.2015), содержащее неподвижное основание, основание крепления проволоки, подвижное основание, механизм нагружения, две направляющие, измерительный преобразователь, механизм перемещения образца. Механизм нагружения включает в себя проволоку из материала с памятью формы, которая натянута между основанием и кронштейном и закреплена с помощью прижимных пластин, палец, один конец которого жестко закреплен с кронштейном, а другой, также жестко, с подвижным основанием. Палец закреплен в неподвижном основании с возможностью перемещения по осевому направлению и снабжен возвратной пружиной. На подвижном основании закреплен измерительный преобразователь с индентором. На основании установлен механизм перемещения образца материала.

Основными недостатками устройства являются сложная организация процесса обеспечения необходимой нагрузки на образец, а также относительно большие габариты для использования в космическом пространстве.

Технической задачей настоящего технического решения является создание новой работоспособной конструкции устройства для измерения твердости материалов с выявлением изменений их свойств в условиях космического пространства, при этом устройство должно обладать низким энергопотреблением и обеспечивать максимально возможный диапазон исследуемых характеристик.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего технического решения, заключается в повышении качества проведения исследований по изменению механических свойств материала во времени в космическом пространстве.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения твердости в условиях космического пространства, включающем подвижное и неподвижное основания, механизм нагружения и измерительный преобразователь в виде индентора, причем механизм нагружения выполнен из материала с памятью формы, механизм нагружения установлен на неподвижном основании и содержит два силовых элемента, один из которых запрограммирован на линейную деформацию, а другой на деформацию кручения, причем они оба связаны с индентором, который установлен с возможностью измерения твердости материала исследуемого образца путем склерометрии, при этом подвижное основание предназначено для крепления исследуемого образца.

Выполнение механизма нагружения в виде двух силовых элементов из материала с памятью формы позволяет обеспечить малые габаритные размеры устройства, низкое энергопотребление и простоту использования при осуществлении склерометрии.

Выполнение механизма перемещения образца позволяет обеспечить продвижение образца с требуемым шагом без участия человека.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется фиг. 1, где представлен общий вид варианта исполнения устройства для испытания материалов на твердость в условиях космического пространства.

Устройство содержит неподвижное основание (1), на котором установлен механизм нагружения в виде двух силовых элементов (2, 3), один запрограммирован на деформацию кручения, другой на линейную деформацию, подвижное основание (4) с устанавливаемым на нем образцом (5) для исследования и измерительный преобразователь в виде индентора (6) для проведения склерометрии. Индентор (6) жестко соединен с силовым элементом (3), предназначенным для линейной деформации вдоль оси индентора (6), а также подвижно соединен через кольцо (7) с силовым элементом (2), предназначенным для деформации кручения. При этом силовой элемент (2) жестко закреплен на неподвижном основании другим своим концом, а силовой элемент (3) другим своим концом закреплен на неподвижном основании с помощью подшипника (8).

Устройство для испытания материалов на твердость в условиях космического пространства работает следующим образом.

Перед отправкой в космос устройство подготавливают к работе на Земле, в частности устанавливают силовые элементы (2, 3) из материала с памятью формы, например, нитинола диаметром 1 мм, способную обеспечить достаточное усилие для проведения эксперимента, составляющее, в данном случае, 60 кгс, далее закрепляют исследуемый материал (5) на подвижное основание (4), которое может обеспечить продвижение образца (5) с требуемым шагом. В качестве механизма перемещения можно использовать храповой механизм. Часть механизма, где находятся силовые элементы, закрывают теплоизолирующим материалом для недопущения воздействия факторов космического пространства на материал с памятью формы. После подготовки устройства его подключают к обеспечивающим системам космического аппарата, и далее оно может служить в автономном режиме. Как только устройство достигает намеченной цели в космосе, исходя из требуемых условий эксперимента, поступает сигнал, запускающий механизм нагружения. От бортовой батареи на силовые элементы (2, 3) поочередно подается напряжение порядка 0,7 В в течение 2-5 секунд, чего достаточно для нагревания ее до 100°С. Эта температура необходима для структурного изменения, которое позволяет металлу «вспоминать» созданную в нем ранее форму (размер) и задавать испытательное усилие на индентор (6). В первую очередь подается напряжение на силовой элемент (3) для углубления индентора (6) в материал образца для исследования (5). Соответствующее усилие передается на индентор (6) через жесткое крепление элемента (3) и индентора (6). Во вторую очередь подается напряжение на силовой элемент (2) для осуществления склерометрии, т.е. проведения царапины на поверхности образца (5). При этом элемент (3) с помощью подшипника (8) повторяет движение индентора (6), с помощью которого проводится измерение и передача полученных данных. При этом передача информации может осуществляться как на цифровой носитель, так и в реальном времени с погрешностью на время передачи информации. После проведенных измерений происходит автоматическое отключение механизма нагружения от электропитания. Материал с памятью формы охлаждается в диапазоне температур прямого мартенситного превращения. Параллельно с этим происходит включение механизма перемещения образца (5) для подготовки образца к следующему испытанию через определенный промежуток времени.

Применение предлагаемого технического решения позволит обеспечить возможность без участия человека изучать изменение свойств листовых материалов в условиях ближнего и дальнего космоса, что в дальнейшем позволит выявить или создать на основе полученных данных материалы, невосприимчивые или маловосприимчивые к разрушающим факторам космического пространства.

Изобретение относится к устройствам для определения физико-механических свойств металлов, в частности к устройствам для измерения твердости с помощью метода склерометрии в условиях космического пространства. Устройство содержит подвижное и неподвижное основания, механизм нагружения и измерительный преобразователь в виде индентора, причем механизм нагружения выполнен из материала с памятью формы. Механизм нагружения установлен на неподвижном основании и содержит два силовых элемента, один из которых запрограммирован на линейную деформацию, а другой на деформацию кручения, причем они оба связаны с индентором, который установлен с возможностью измерения твердости материала исследуемого образца путем склерометрии. Подвижное основание предназначено для крепления исследуемого образца, причем часть механизма, где находятся силовые элементы, закрыта теплоизолирующим материалом для недопущения воздействия факторов космического пространства на материал с памятью формы, а само устройство выполнено с возможностью подключения к обеспечивающим системам космического аппарата, с возможностью обеспечения поочередной подачи напряжения на силовые элементы. Технический результат: повышение качества проведения исследований по изменению механических свойств материала во времени в космическом пространстве. 1 ил.

Устройство для измерения твердости в условиях космического пространства, включающее подвижное и неподвижное основания, механизм нагружения и измерительный преобразователь в виде индентора, причем механизм нагружения выполнен из материала с памятью формы, отличающееся тем, что механизм нагружения установлен на неподвижном основании и содержит два силовых элемента, один из которых запрограммирован на линейную деформацию, а другой на деформацию кручения, причем они оба связаны с индентором, который установлен с возможностью измерения твердости материала исследуемого образца путем склерометрии, при этом подвижное основание предназначено для крепления исследуемого образца, причем часть механизма, где находятся силовые элементы, закрыта теплоизолирующим материалом для недопущения воздействия факторов космического пространства на материал с памятью формы, а само устройство выполнено с возможностью подключения к обеспечивающим системам космического аппарата, с возможностью обеспечения поочередной подачи напряжения на силовые элементы.