К перспективам производства материалов в космосе, или к космическому производству, известному как МПС (англ. MPS - Material Processing in Space), некоторые специалисты относятся слишком оптимистически, надеясь на быстрый успех и забывая о том, что надо научиться использовать состояние невесомости и безвоздушное космическое пространство. Во всем мире проявляется большой интерес к так называемой третьей промышленной революции - потенциально возможной (благодаря использованию космических условий) революции в производстве таких материалов, как фармацевтические препараты, оптические стекла, материалы для электроники, керамика, магнитные материалы, а также в разработке соответствующего оборудования.

Вверху справа. Выращенные на борту орбитальной станции «Скайлэб» беспримесные кристаллы антимонида индия. Кольцевая бороздка на поверхности правого образца, по-видимому, образовалась в момент включения двигателей для осуществления маневра станции на орбите, произошедшего после того, как образец начал охлаждаться. Значительный интерес представляет поведение жидкостей в невесомости. На снимке показан член экипажа станции «Скайлэб-2» астронавт Дж. Кервин, выдувающий через соломинку водяные шарики, которые свободно плавают, удерживаемые силой поверхностного натяжения. Справа. Установка для проведения технологических операций на борту станции «Скайлэб». Проводимые эксперименты включали выращивание монокристаллических образцов полупроводниковых материалов больших размеров и чистоты, чем при выращивании на Земле.

Прежде чем приступить к дальнейшему рассмотрению данной проблемы, необходимо напомнить, что абсолютного вакуума и полной невесомости не существует. На макроскопическом уровне воздействие существующих в условиях полета космического корабля и деятельности человека на его борту невесомости и глубокого вакуума на протекание процессов вполне реально, но на молекулярном и клеточном уровнях влияние воздействия невесомости отсутствует.

Гравитационное поле пронизывает всю Вселенную, и избежать его воздействия невозможно. Во время орбитального полета космического аппарата в его центре масс уравновешиваются гравитационная и центробежная силы. По существу каждый незакрепленный внутри космического корабля предмет движется по орбите, несколько отличающейся от орбиты центра масс корабля. И каждая часть космического аппарата стремится двигаться по собственной орбите, но этому препятствует жесткость его конструкции. Все это приводит к возникновению на борту космического аппарата малых ускорений порядка 10^-4 g (g - ускорение силы тяжести у поверхности Земли), которые не воспринимаются человеком, но которыми, однако, нельзя пренебрегать при проведении большинства технологических процессов производства различных материалов. Следовательно, термин «микрогравитация» является наиболее подходящим для характеристики условий производства материалов в космосе¹.

¹Советские специалисты считают термин «микрогравитация» неточным и вместо него используют термины «невесомость», «условия, близкие к невесомости». В дальнейшем будет использоваться термин «невесомость».- Прим. ред.

Космический вакуум также не является абсолютным. Даже межгалактическое космическое пространство содержит газ. На высотах около 500 км над поверхностью Земли давление газа составляет 10^-8 мм рт. ст. (обычное атмосферное давление 760 мм рт. ст.) Кроме того, утечки газов из внутренних объемов космического корабля, выделение газов из материалов его наружной обшивки и выбросы продуктов сгорания при работе двигателей создают серьезные трудности для осуществления технологических процессов, требующих глубокого вакуума (около 10¹¹ мм рт. ст.).

Благодаря длительной невесомости и глубокому вакууму в космосе открывается возможность производства материалов предельной химической чистоты со структурой, близкой к теоретически достижимой и определяемой лишь собственной природой этих материалов. Невесомость позволяет фактически исключить такие явления, как конвекция, разделение несмешиваемых материалов и образование дефектов в кристаллах. С помощью акустических или электромагнитных сил материалы могут быть изолированы от стенок контейнера, что позволит предотвратить преждевременную или чрезмерно быструю кристаллизацию, избежать внутренних напряжений в кристалле, а также изолировать растущий кристалл от воздействия внешних вибраций. Космический вакуум может обеспечить большую степень чистоты и лучшее регулирование качества вследствие уменьшения содержания посторонних газов, присутствующих в лучших промышленных вакуумных установках, и позволит осуществлять более тонкое регулирование микродобавок, применяемых в современной электронике.

По имеющимся оценкам, сбыт материалов с улучшенными и не достижимыми при производстве на Земле свойствами позволит космическому производству приносить прибыль в размере 1-20 млрд. долл. в год. Однако высказываются возражения против таких оптимистических оценок перспектив космического производства и утверждается, что оно практически не принесет коммерческой выгоды (эти разногласия рассматриваются ниже).

В рамках космических исследований работы, связанные с космическим производством, ведутся давно, хотя они и не были выделены в отдельное направление. Инженеры занимались изучением поведения топлива в баках ступеней ракет, в том числе и при движении по инерции на орбите. Исследовалось поведение расплавленных металлов в расчете на то, что в будущем при сборке на орбите крупных конструкций могут потребоваться сварочные работы. Особенности протекания различных процессов в условиях невесомости изучались с помощью «башен сбрасывания» (длительность состояния невесомости 2-3 с) и на самолетах - летающих лабораториях при полете по параболическим траекториям (длительность состояния невесомости около 30 с).

Внизу. При подготовке необходимых для создания будущего «завода в космосе» экспериментов, которые будут проведены на борту станции «Спейслэб», ученые отрабатывают технологическое оборудование в миниатюрных лабораториях на борту исследовательских ракет по программе СПАР.

Первые исследования с биологическими тканями и микроорганизмами на орбите были проведены на борту советского космического корабля «Восток». На втором американском биоспутнике эти исследования были продолжены и было показано, что в условиях невесомости могут быть получены медицинские препараты и гормоны более высокого качества, чем на Земле. При полетах космических кораблей по программе «Аполлон» - «Сатурн» на борту имелись устройства для контроля за поведением жидкого водорода в топливных баках.

На космических аппаратах «Аполлон-14, -16, -17» было выполнено несколько экспериментов в невесомости, включая плавку композиционных материалов, электрофорез (использование электрических полей для разделения жидких смесей) и изучение особенностей массопереноса в жидкости. Эти предварительные исследования предшествовали работам на борту станции «Скайлэб», где эксперименты в невесомости составляли одну из основных частей программы (на их проведение было затрачено около 160 ч рабочего времени экипажа). Получены впечатляющие результаты: почти все эксперименты продемонстрировали, что в отсутствие действия силы тяжести качество материалов улучшается.

Экипаж снял два интересных импровизированных фильма. В одном из них астронавт выдувает шар воды, который затем свободно плавает в кабине. Внутрь этого шара ему даже удалось ввести пузырек воздуха! В другом фильме снято столкновение двух капель воды, подкрашенных разными соками - виноградным и апельсиновым. Удивительно, что подкрашенные жидкости не перемешиваются, а остаются разделенными.

Американская часть экспериментов, выполненных в рамках программы ЭПАС при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон», добавила eще 125 ч к американским исследования в невесомости. Эти эксперименты подтвердили результаты, полученные на станции «Скайлэб», и расширили их.

Для заполнения пробела между технологическими экспериментами, проведенными на орбитальной станции «Скайлэб», а также во время совместного полета кораблей «Союз» и «Аполлон», и будущими экспериментами на борту станции «Спейслэб», которую выводит на орбиту транспортный космический корабль «Спейс Шаттл», в Центре космических полетов им. Maршалла (г. Хантсвилл, шт. Алабама) была разработана программа использования исследовательских ракет для проведения работ по космическому производству - СПАР (англ. SPAR - Space Processing Applications Rocket Programme). Для этой цели оказались подходящими ракеты «Блэк Брант-5C. Размеры экспериментального оборудования ограничивались диаметром ракеты (0,42 м), его масса не превышала 50-190 кг. При каждом запуске в верхней части траектории полета ракеты в течение 5-7 мин достигалось состояние невесомости. Финансирование работ по программе СПАР прекращено в 1980 г.

Внизу. Использование звуковых волн для подвешивания капли воды в воздухе в экспериментах, проводимых в Центре космических полетов им. Маршалла. Ученые изучают способ подвешивания расплавленных образцов в акустическом поле с целью исключения их загрязнения. Вверху. Научный сотрудник фирмы «Макдоннел Дуглас» регулирует электрофоретическую камеру, подобную той, которая может быть использована в космосе для изготовления фармацевтических препаратов в электрическом поле.

Схема левитатора для плавления образцов 1 Высокочастотный источник нагрева. 2 Механизм подачи образцов. 3 Образцы до плавления. 4 Образцы после плавления. 5 Подача хладоагента. 6 Рабочая камера. 7 Механизм извлечения образцов. На схеме показан принцип действия левитатора для бесконтейнерного удержания и плавления образцов в невесомости. Катушки высокочастотных индукторов нагревателя внутри полые, что позволяет осуществлять охлаждение образцов. Кроме механического способа удержания образцов существуют способы удержания образцов в магнитном поле и с помощью перемещающихся катушек.

Проводимые эксперименты и применяемая аппаратура являются универсальными, и поэтому часто приходится ограничиваться исследованием поведения металлов в невесомости с помощью модельных процессов (например, изучать кристаллизацию водного раствора хлорида аммония) или испытанием новых технических средств, например, акустического левитатора, в котором стоячие звуковые волны используются для фиксации положения образцов.

Однако даже исследования в условиях кратковременной невесомости по программе СПАР позволили разработать программу по космической технологии для регулярных полетов «Спейслэб», а также предложить новые технологические эксперименты. [Европейское космическое агентство проводит аналогичную программу работ с использованием английских исследовательских ракет «Скайларк». Эта программа называется ТЕКСУС (по первым буквам немецкого названия программы технологических экспериментов в невесомости).]

Проводимые на ракетах исследования позволяют разрабатывать новое оборудование для МТКК «Спейс Шаттл» на основе технологических процессов, отработанных в рамках программы СПАР, и изготовленного для этой цели оборудования. В Центре космических полетов им. Маршалла был разработан специальный комплект установок для проведения экспериментов по производству материалов в космосе - МЕА (англ. МЕА - Materials Experiment Assembly). Блок, имеющий габариты 1,09 Х 1,06 Х 1,69 м и массу 800 кг, включает четыре экспериментальных прибора типа используемых в работах по программе СПАР. Блок МЕА имеет собственную энергетическую установку, вычислительную машину, управляющую технологическими процессами, системы отвода тепла и регистрации параметров. Он может быть размещен на открытой платформе негерметизированного отсека станции «Спейслэб». Для использования всего полезного объема негерметизированного отсека и включения в график коммерческих полетов МТКК «Спейс Шаттл» в Центре им. Маршалла разрабатывается второй блок МЕА больших размеров (0,75 X 4,2 м), содержащий оборудование для шести экспериментов типа проводимых по программе СПАР.

Официальный представитель Центра Маршалла заявил: «Наша основная цель - проведение перспективных исследований для выяснения возможности реализации хотя бы одной из высказанных идей».

Параллельно с реализацией программы СПАР и разработкой комплекта установок МЕА ведется подготовка экспериментов на станции «Спейслэб». Это будут более длительные и более сложные эксперименты, требующие значительно большего участия членов экипажа в их проведении. Первые такие установки будут использованы на борту станции «Спейслэб-1» и «Спейслэб-2». На станции «Спейслэб-3» впервые предполагается провести работы по использованию состояния невесомости (помимо исследований по программе МПС). Для исследований на станции «Спейслэб» НАСА разрабатывает целую серию установок многоразового использования, на которых будут проводиться эксперименты во время нескольких экспедиций.

Вверху. Испытания прототипа автоматической установки для изготовления элементов конструкций, разработанного фирмой «Груммен». С помощью такой установки на борту МТКК «Спейс Шаттл» можно изготовить легкие фермы и собрать из них космические платформы.

Восемь таких установок находятся на различных стадиях проектирования и определения технико-экономических условий эксплуатации; их изготовление предполагается закончить в 80-е годы. В состав этих восьми установок входят:

1 Модуль для изучения физики жидкости, фактически являющийся оптическим прибором, позволяющим получать теневые фотографии и голограммы, которые могут быть использованы для изучения поведения жидкости в невесомости (прибор будет установлен в двойную приборную стойку шириной 1 м, расположенную внутри герметизированного отсека станции).

2 Акустический левитатор для бесконтейнерного удержания образцов, обеспечивающий трехосное удержание для управления положением и вращением образцов размером до 25 мм. Принцип действия левитатора аналогичен вибрации стола для удержания в его центре кучки песка. (Размещается в негерметизированном отсеке станции.)

3 Установка для кристаллизации (электронагревательная печь), позволяющая выращивать одновременно до 24 образцов в ампулах диаметром 32 и длиной 254 мм. Образцы можно выращивать либо при постоянной по длине образца температуре при его нагревании и охлаждении, либо при наличии градиента температуры методом направленной кристаллизации. (Размещается в негерметизированном отсеке.)

4 Установка с плавающей зоной для определения эффективности метода зонной очистки в космосе и степени повышения чистоты и увеличения размеров выращиваемых там кристаллов по сравнению с земными аналогами. (Размещается в негерметизированном отсеке.)

5 Модуль для изучения биологи ческих процессов с целью более глубокого понимания процесса электрофореза и его модификаций. (Размещается в герметизированном отсеке.)

6 Электростатический левитатор для бесконтейнерного удержания и формообразования больших по размеру композиционных материалов. (Размещается в герметизированном отсеке.)

7 Установка для получения сверхглубокого вакуума (10^-15 мм рт. ст.) с помощью «молекулярного экрана», позволяющего удалять частицы разреженных газов, имеющихся на больших высотах. (Размещается в негерметизированном отсеке.) Отсутствие интереса к этому устройству со стороны промышленности привело к исключению этой работы из пятилетнего плана НАСА на 1980-1984 гг.

8 Модуль для проведения процессов регулируемого нагревания и охлаждения образцов при электромагнитном их удержании независимо от способов управления их положением. (Размещается в негерметизированном отсеке.)

Кроме того, для проведения специальных экспериментов предполагается использовать аппаратуру, поставленную разработчиком научной задачи. Некоторые установки будут функционировать автономно, другие будут включены в установки, описанные выше. В январе 1979 г. НАСА в рамках программы производства материалов в космосе сформулировала 87 задач. Эти задачи включали изучение роста кристаллов (18 задач) и поликристаллических металлов (18), разработку акустических методов получения стекол (10), электромагнитных и других бесконтейнерных процессов получения металлов (6), исследование разделения клеток и протеинов (8), культур клеток (6), изучение химических процессов (2), процессов в жидкости (8), а также процессов с использованием вакуума (11).

Комплекс МТКК «Спейс Шаттл» - станция «Спейслэб» имеет ряд ограничений: по времени пребывания на орбите, по энерговооруженности и по уровню невесомости. Продолжительность пребывания первых экспедиций на станции не будет превышать двух недель, а уровень электрической мощности - нескольких киловатт. Следующим шагом будет создание долговременного энергоблока и энергетической установки мощностью 25 кВт. Долговременный энергоблок состоит из двух панелей с солнечными элементами, доставляемых на орбиту «Шаттлом» для экспедиций с продолжительностью пребывания в космосе до 20 сут, а энергоустановка представляет собой свободноплавающий модуль, обеспечивающий достаточную энерговооруженность и пространственную ориентацию в течение 60-90 сут.

Перспективные планы

Следующим шагом будет создание транспортного корабля для проведения экспериментов с материалами в космосе - МЕК (англ. МЕС - Materials Experiment Carrier). Возможно, он будет иметь размеры одного или двух негерметизированных отсеков станции «Скайлэб» (различные конструкции еще прорабатываются), пристыкованных к модулю с энергетической установкой мощностью 25 кВт, и будет оборудован собственными системами отвода тепла, управления и регистрации параметров. Предполагается, что в этих отсеках будет размещено перечисленное выше оборудование, разработанное по программе МПС.

Вверху. Этот эксперимент с латексовыми сферами, разработанный фирмой «Дженерал электрик» для Лехайского университета (шт. Пенсильвания), предполагается провести в одном из первых полетов МТКК «Спейс Шаттл». Это один из многих предварительно подготовленных экспериментов.

МЕК обеспечит переход от этапа предварительных исследований к следующему этапу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, основанному на полученных ранее результатах. МЕК будет иметь длину 6,1 м и массу 14 100 кг. Он будет нести восемь модулей для проведения экспериментов с материалами в космосе, каждый массой около 1500 кг и объемом 5 м³. МЕК будет введен в эксплуатацию в 1986 г.

Наконец будет создан модуль для проведения экспериментов с материалами - MEM (англ. MEM - Materials Experimentation Module), обслуживаемый человеком. На этой стадии программа МПС приближается к этапу пилотируемых космических заводов. При осуществлении программы MEM, которая менее проработана, чем программа МЕК, в качестве технологических модулей, возможно, будут использованы модули станции «Спейслэб». Эти полеты предполагается начать в 90-х гг.

Параллельно с проведением экспериментов в космосе будет интенсивно развиваться программа исследований на Земле с целью проверки достоверности и обоснованности получаемых в невесомости результатов. Важность этого направления работ недооценивалась в программе МПС. В 1978 г. Комитет по научным и техническим основам производства материалов в космосе Академии наук США подверг программу НАСА резкой критике. В отчете комитета было отмечено, что по программе НАСА проводятся недостаточно продуманные и неудовлетворительно поставленные эксперименты, притом зачастую на несовершенном оборудовании. На основании этих экспериментов сделаны неубедительные выводы и в ряде случаев результаты космических экспериментов слишком шумно рекламируются. Комитет пришел к выводу, что физика невесомости представляет новую область физических исследований и проведенные эксперименты не должны рассматриваться только с точки зрения совершенствования оборудования для космического производства. Комитет также выразил сомнения в отношении сделанных специалистами НАСА предположений о том, что высокая степень совершенствования получаемых на космических аппаратах материалов автоматически окупит увеличение стоимости их производства, а также в том, что в настоящее время земная технология исчерпала свои возможности и для улучшения качества получаемых материалов необходимо использовать состояние невесомости.

С учетом замечаний и рекомендаций комитета специалисты НАСА пересмотрели программу МПС. В частности, пришлось отказаться от подхода, который один официальный представитель назвал «подходом Томаса Эдисона», состоящим в проверке всякой новой идеи.

Было предложено образовать на втором этапе проведения работ по программе МПС национальную лабораторию, план создания которой подготовлен НАСА в настоящее время. На первом этапе НАСА должно привлекать другие организации и фирмы для участия в планировании и разработке экспериментов, а также проводить интенсивные исследования на борту ракет, самолетов - летающих лабораторий, башнях сбрасывания и центрифугах. МТКК «Спейс Шаттл» предполагается использовать для выполнения только наиболее важных экспериментов.

Однако если результаты выполненных на первом этапе экспериментов выявят большую перспективность этих работ, то тогда «Спейс Шаттл» и «Спейслэб» будут использованы как «национальный резерв» правительства, академии и промышленности.

На втором этапе большая часть экспериментов по производству материалов в космосе должна проводиться не НАСА, а другими организациями. В отсутствие финансовой поддержки со стороны этих организаций второй этап программы не будет реализован. Ниже перечислены некоторые наиболее перспективные направления космического производства, прогнозируемые НАСА и рядом фирм США.

Перспективная продукция

Наиболее простой космической продукцией являются кремниевые пластинки, выпиливаемые из монокристаллического цилиндрического образца, которые используют в качестве заготовок при изготовлении интегральных микросхем (чипов). Образцы вытягивают из расплавленного кремния способом, аналогичным тому, каким в прошлом вытягивали сальные свечи. Затем образец разрезают на тонкие пластинки диаметром 50, 75 или 100 мм. Пластинки полируют, на них наносят микросхемы и вырезают отдельные чипы. Но при каждой операции обработки инструментом образца кремния часть его теряется, много кремния отбраковывается из-за структурных и других несовершенств. Выход готовой продукции (чипов) составляет только 33% первоначальной массы кремния и только 8% составляют товарную продукцию.

Специалисты фирмы «Макдоннел Дуглас» считают, что в космосе производство кремния будет более эффективным. Непрерывная лента толщиной 0,025 мм может быть вытянута из кремниевого слитка, расплавленного в солнечной печи. Считается, что при таком способе производства ленты будет использован весь кремний, а выход товарной продукции превысит 33%. По оценкам специалистов фирмы «ТРВ», если масса такой ленты составит лишь 10% требуемой по прогнозу на 1990 г., стоимость ее будет 440 млн. долл. в год. Годовая продукция составит около 20 т; такое количество кремния можно доставить из космоса на Землю за два полета МТКК «Спейс Шаттл». Дополнительной товарной продукцией могут стать элементы для солнечных батарей спутника.

Ожидается, что волоконная оптика, которая в настоящее время начинает широко использоваться для передачи сигналов и рассматривается как наиболее перспективный способ передачи информации, заменит медный провод и микроволновые линии. Но производимые на Земле волокна имеют трещины, обусловленные внутренними напряжениями, что ограничивает их применение. По оценкам специалистов фирмы «ТРВ», экономия при производстве оптического стекловолокна в космосе составит около 60 тыс. долл. на килограмм. По мнению специалистов фирмы «Сайенс аппликэйшн», в 2010 г. стоимость этой продукции составит 69-690 млн. долл.

Сборка модульной космической станции на околоземной орбите Грузовой отсек МТКК «Спейс Шаттл» имеет достаточный объем, чтобы вместить цилиндрические модули пилотируемой космической станции, собираемой на орбите с использованием принципа блочного построения. На приведенных рисунках показана последовательность операций сборки. А Первый модуль извлекается манипулятором. В МТКК возвращается на Землю за другими модулями. С После выведения МТКК на орбиту второй модуль присоединяется к первому с использованием обычного стыковочного узла. D Частично собранная космическая станция разворачивается на 180° и затем к ней пристыковывается третий модуль. Пилотируемая орбитальная станция 1 Антенна связи и передачи данных (4 шт.). 2 Люк для выхода в открытое космическое пространство. 3 Иллюминатор или шлюзовая камера для научной аппаратуры. 4 Панели электрических солнечных батарей длиной 64 м. 5 Баллоны для хранения газов и жидкостей. 6 Блок для стыковки международных экипажей. 7 Гироскопы системы стабилизации. 8 Двигатели ориентации. 9 Двухместная шлюзовая камера. А Модуль полезного груза Оборудование для проведения научных и прикладных исследований, системы обслуживания. В Обитаемый модуль Длина 7,5 м. Рабочий объем 68 м3. Жилые помещения, системы контроля полезного груза, кухня, склад. С Модуль вспомогательных систем Длина 7,9 м. Рабочий объем 37 м3. Электрическая силовая установка, стабилизаторы, коммуникации, помещение личной гигиены. D Модуль снабжения Длина 6,9 м. Рабочий объем 37 м3. Снабжение жидкостью; основной груз; хранение отходов. На борту пилотируемой орбитальной станции работают четыре человека. Высота орбиты 370 км, наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора 28,5°. Полеты МТТК «Спейс Шаттл» производятся с интервалом в 90 сут. Ракета-носитель большой грузоподъемности Двухступенчатая ракета-носитель многоразового использования; ракета такого типа может потребоваться для доставки элементов конструкции космических солнечных электростанций в конце 90-х годов. Масса выводимого на орбиту полезного груза до 450 000 кг. Межорбитальный пилотируемый транспортный корабль Перевозит элементы конструкций и людей с низкой околоземной орбиты на геостационарную орбиту. Обслуживает спутники, находящиеся на геостационарной орбите, может быть использован в глобальных космических проектах типа космической солнечной электростанции. Установка для маневрирования астронавта Автономное устройство ранцевого типа с системой жизнеобеспечения, снабженное двигателем малой тяги, позволяет астронавтам МТКК «Спейс Шаттл» перемещаться в космическом пространстве и осуществлять техническое обслуживание, а также ремонт космических аппаратов. Еще в 1966 г. прототип такой установки был размещен в хвостовой части корабля «Джемини-9». Предполагалось, что астронавт Ю. Сернан испытает его в открытом космическом пространстве. Однако это испытание не состоялось, поскольку скафандр перегревался и имелись неполадки в одном из его рукавов. Улучшенная модель такой установки была опробована А. Бином внутри орбитальной космической станции «Скайлэб». Установка для проведения работ за бортом КА Эта установка смонтирована на конце манипулятора МТКК «Спейс Шаттл» длиной 15,2 м. Она оснащена источниками общего освещения и точечными источниками света, панелью дистанционного управления и дисплеем, ручным инструментом и ящиком для деталей. Установка размещена на стабилизированной стойке с тремя степенями свободы, прикрепленной к рабочему месту. Астронавт фиксирует свое положение, удерживаясь ногами за скобы на рабочей площадке, а его руки и корпус остаются свободными, давая ему возможность выполнять необходимые работы на «космическом рабочем участке». Сборка крупногабаритных конструкций в космосе Было разработано много идей относительно способов сборки в космосе крупногабаритных конструкций с минимальными техническими и финансовыми затратами. В одном из способов предусматривается доставка на орбиту ферм, предварительно собранных на Земле. В другом предполагается использовать автоматическую установку для изготовления непосредственно в космосе ферм или других элементов крупногабаритных конструкций. А Предварительно собранные элементы конструкции астронавты соединяют в космосе с помощью манипулятора МТКК «Спейс Шаттл». В Из готовых ферм собирается каркас для «антенного поля» (с. 66). С Элементы конструкции могут быть собраны на Земле, уложены в грузовой отсек МТКК «Спейс Шаттл», доставлены на орбиту и там автоматически развернуты (D). E Установленная на МТКК «Спейс Шаттл» автоматическая установка демонстрирует способ изготовления элементов конструкции для больших космических платформ. На рисунке показана установка, изготавливающая четвертый (последний) продольный элемент конструкции. F Автоматическая установка изготавливает поперечный элемент конструкции, который будет соединен с продольными элементами. Автоматическая установка для изготовления в космосе элементов конструкций (рисунок внизу) 1 Элемент конструкции. 2 Устройство для резки. 3 Узел точечной сварки. 4 Запас ленты из алюминия или графита с эпоксидной смолой. 5 Узел обработки ленты. 6 Путь движения ленты. 7 Направляющие. Экспериментальный образец этой установки производит элементы конструкции фермы длиной 1 м. Элементы изготавливаются автоматически из намотанной на барабаны плоской алюминиевой ленты методом прессования; придающие конструкции жесткость поперечины и укосины привариваются здесь же точечной сваркой. Управление осуществляет вычислительная машина. В других методах используются различные композиционные материалы, не чувствительные к перепадам температур. Герметизированная установка для проведения работ в открытом космосе Представляет собой приспособленную для работы на геостационарной орбите предыдущую установку. Внутри установки созданы комфортабельные условия, позволяющие космонавту работать без скафандра. Здесь он защищен от воздействия внешней радиации. Установка имеет системы дисплея и управления работой пары манипуляторов, выполняющих функции человеческих рук, но во много раз более мощных. Показанный блок прикреплен к «космическому подъемному крану». Свободно маневрирующий космический корабль для проведения работ в космосе Для проведения сложных работ в космосе потребуется герметизированная установка, предоставляющая астронавту необходимый комфорт и безопасность для работы без скафандров. Два дополнительных кольца с двигательными установками и топливными баками обеспечат необходимую мобильность при сборке крупногабаритных конструкций. Пара механических рук делают эту установку более сильной и работоспособной. Для развития промышленности в космосе необходимо обеспечить большие космические станции мощными энергетическими ресурсами. В начале 70-х гг. в НАСА была предложена идея создания модульной конструкции обитаемой орбитальной космической станции, а фирма «Макдоннел Дуглас» провела детальные ее проработки. Было предложено собирать станцию из блоков, предварительно изготовленных на Земле и доставленных на орбиту в грузовом отсеке МТКК «Спейс Шаттл». Однако из-за сокращения ассигнований на осуществление космической программы США и увеличения стоимости разработки МТКК «Спейс Шаттл» этот проект пришлось отложить. Советский Союз, со своей стороны, также рассматривал проблему создания крупной космической станции, основной блок которой выводится первыми двумя ступенями мощного носителя одноразового использования. К этому блоку с двух сторон пристыковываются лаборатории со специалистами, которых будут периодически заменять с помощью космических кораблей многоразового использования. Особый интерес представляет перспектива развертывания производства материалов и изделий в уникальных условиях невесомости и космического вакуума с использованием «неиссякаемого» источника энергии - Солнца. Эксперименты, выполненные во время полетов космических кораблей и станций «Аполлон», «Скайлэб», по программе ЭПАС («Союз» - «Аполлон»), «Союз», «Салют», а также проведенные на борту непилотируемых исследовательских ракет, свидетельствуют, что производство материалов в космосе - одно из наиболее перспективных направлений практического использования космоса. Наряду с этими разработками Советский Союз и США относят к космическому производству и такие важные проекты, как платформы связи (с. 66) и космические солнечные электростанции (с. 235). В США во время первого демонстрационного полета МТКК «Спейс Шаттл» планируется изготовление элементов конструкций с помощью специальной автоматической установки, которая будет размещена в грузовом отсеке МТКК. Эта установка создана по принципу агрегата для производства цельнотянутых водосточных желобов для домов. Элементы конструкции изготавливаются методом прессования из плоской алюминиевой ленты, намотанной на барабаны; в этой же установке точечной сваркой прикрепляются поперечины, придающие жесткость конструкции. В других методах изготовления элементов конструкций используются некоторые композиционные материалы, которые практически не чувствительны к изменениям температуры, вызывающим деформацию конструкции. Для космического производства проверялись и другие конструкционные материалы, включая стеклянные волокна, пропитанные полиэфирной смолой. Этот материал, сначала мягкий и эластичный, под действием ультрафиолетового солнечного излучения становится твердым и жестким. Прототип элемента конструкции размером 2,1 X 0,9 м, изготовленный фирмой «Хьюджес эйркрафт», в 1979 г. был испытан в Центре космических полетов им. Маршалла.

Сферы из полистирола диаметром в несколько микрометров могут оказаться первой товарной продукцией из космоса. Сферы диаметром меньше 2 и больше 40 мкм, которые широко используются при калибровке электронных микроскопов, микрофильтров и медицинской диагностической аппаратуры, изготовить достаточно легко. Но осаждение и расслоение материала в процессе полимеризации препятствуют получению сфер диаметром 2-40 мкм с необходимой степенью круглости поверхности. В настоящее время существует потребность и в сферах этого диапазона размеров. Получение латексовых шариков во время второго полета МТКК «Спейс Шаттл» позволит впервые проверить эту идею.

Вверху. Чтобы дать представление о трудностях, которые могут встретиться при сборке и перемещении в космосе крупных секций сборных конструкций, показано, как одетые в скафандры специалисты проводят работы в бассейне Центра космических полетов им. Маршалла. Им помогают опытные аквалангисты.

Если к концу века будут созданы термоядерные энергетические установки с лазерной накачкой, то потребуются и мишени для таких реакторов. В этих установках реакция термоядерного синтеза поддерживается путем взрывов сфер малого диаметра, содержащих смесь дейтерия и трития, при воздействии на них коротких мощных импульсов лазерного излучения. Термоядерное топливо (смесь дейтерия и трития) должно быть заключено внутри сверхтонкой стеклянной оболочки. Ожидается, что изучение особенностей протекания такого процесса в космосе приведет к повышению эффективности работы термоядерных установок на Земле. Кроме того, применение выплавленных в космосе высококачественных стекол будет способствовать повышению уровня мощности лазеров, необходимому в данной схеме термоядерного реактора. Одним из потенциальных «товаров» будущего космического производства могут стать драгоценности. По оценкам специалистов фирмы «Сайенс аппликэйшн», стоимость этого вида продукции составит 52- 520 млн. долл.

Наконец одним из самых перспективных направлений представляется производство в космосе фармацевтических препаратов. По оценкам экспертов фирмы «Макдоннел Дуглас», стоимость изготовленных в космосе препаратов может составить около 23 млрд. долл. Некоторые из них не имеют выраженной в денежных знаках цены, поскольку они вообще не могут быть изготовлены на Земле, но позволят спасти жизни нескольких тысяч людей в год. Можно ожидать, что, когда для изучения биохимических процессов, протекающих в человеческом организме, будет разработана более чувствительная аппаратура, могут быть открыты некоторые уникальные препараты. Понятно, что в свете больших достижений в области генной инженерии может утратиться актуальность этого направления деятельности в космосе. Если удастся «настраивать» клетки ткани на производство определенного гормона, то будут решены многие проблемы производства необходимых препаратов. Но даже в этом случае, как считают эксперты НАСА, на борту космических аппаратов полученный препарат будет подвергаться окончательной очистке.

Наиболее подходящими образцами для производства в космосе являются следующие биологические препараты: эритропоэтин, вырабатывающий красные кровяные тельца и применяемый для лечения заболеваний почек и крови; антигемофилитические средства, вызывающие свертывание крови при гемофилии; урокиназа, тормозящая свертывание крови при инфарктах и тромбофлебитах, и бета-клетки, способные вырабатывать единственный препарат, применяемый для инъекций при сахарном диабете.

Генеральный директор фирмы «Макдоннел Дуглас» Э. Ф. Брэнал привел оценки специалистов фирмы, согласно которым для производства годового количества антигемофилитического препарата (AHF-8) в космосе потребуется около 20 электрофоретических установок, в то время как на Земле для производства такого же количества этого препарата нужно около 5000 установок. Для производства потребляемого в год количества эритропоэтина (136 г) в космосе потребуется 75 установок вместо 30 000 на Земле.

Вверху. Советский космонавт В. Коваленок подготавливает электронагревательную печь к проведению эксперимента по производству материалов в космосе. Советские специалисты придают большое значение выращиванию в условиях невесомости монокристаллов полупроводниковых материалов для электронной и лазерной техники, а также выплавлению специальных сортов стекол для волоконной оптики. Большой интерес представляет также возможность производства новых прочных и легких сплавов.

«Если бы даже пациент имел возможность приобрести лекарство по очень дорогой цене (затрачивая около 69 тыс. долл. в год), он не смог бы купить его в требуемом ему количестве, поскольку при существующей технологии на Земле его производство недостаточно, и маловероятно, что в обозримом будущем оно станет коммерчески выгодным»,- говорит Брэнал.

На бортовых электрофоретических установках эти лекарства могут производиться в больших количествах и более высокого качества. Годовую потребность в бета-клетках, составляющую около 2,27 кг, обеспечат две установки. Такое количество препарата на Земле изготовлено быть не может.

Уверенность фирмы «Макдоннел Дуглас» в перспективности производства материалов в космосе столь велика, что она первой подписала контракт с НАСА на совместное проведение работ по космическому производству. В настоящее время еще три фирмы ведут переговоры с НАСА.

Летом 1979 г. вступило в силу «Руководство о совместных программах НАСА и американских региональных фирм по производству материалов в космосе». Как следует из руководства, совместные эксперименты преследуют две цели: 1) осуществление научно-исследовательских программ, направленных на достижение и (или) удержание лидерства США в области космического производства; 2) стимулирование коммерческого применения технологии космического производства.

НАСА предлагает следующие формы совместного сотрудничества: предоставление времени для работы на борту МТКК «Спейс Шаттл» с назначением сроков полета и его стоимости администрацией НАСА; обеспечение оборудованием и технической консультацией участвующих организаций; участие в совместных исследованиях и демонстрационных программах, при котором каждая из участвующих фирм оплачивает свою долю.

В настоящее время НАСА рассматривает три варианта участия частных промышленных фирм в космическом производстве: при финансировании работ правительством, при совместном финансировании и финансировании всех работ частными фирмами.

Эксперименты, выполненные в СССР¹

1 Об исследованиях по космическому производству в СССР см. приложение, с. 290.- Прим. ред.

Советский Союз проводит активные исследования в области космического производства. Первый из известных технических экспериментов был выполнен на борту космического корабля «Союз-6» в 1969 г. На установке «Вулкан» отрабатывались различные методы сварки электронным лучом.

На борту орбитальной научной станции «Салют-5» (июнь 1976 г.- август 1977 г.) впервые был установлен комплект приборов для проведения исследований по разработке научных основ космического производства. В этот комплект входили приборы:

1 «Сфера» - для осуществления процессов расплавления и последующей кристаллизации в невесомости образцов из четырехкомпонентного эвтектического сплава (висмут, свинец, олово, кадмий).

2 «Кристалл» - для выращивания из водного раствора кристаллов алюмо-калиевых квасцов.

3 «Диффузия» - для изучения процессов массопереноса в расплаве органических материалов (дибензил и толан).

4 «Реакция» - для расплавления никеля и марганца, а также пайки трубок диаметром около 15 мм из нержавеющей стали.

Эксперименты проводились экипажами кораблей «Союз-21» и «Союз-24».

Следующий этап работ по производству материалов в космосе проводился на борту орбитальной научной станции «Салют-6», которая была выведена на орбиту 29 сентября 1977 г. Из оборудования, выведенного на орбиту непосредственно со станцией или доставленного туда позже, а также выполненных экспериментов упомянем следующее:

1 Электронагревательная печь «Сплав».

2 Выполненный на электронагревательной печи «Сплав» эксперимент «Морава» (подготовлен специалистами Чехословакии).

3 Эксперимент «Сирена», проведенный с целью получения полупроводниковых материалов (подготовлен специалистами Польши).

4 Электронагревательная печь «Кристалл», предназначенная для получения монокристаллов различных материалов.

5 Эксперимент «Беролина» - еще одна попытка получить чистые полупроводниковые материалы (подготовлен учеными ГДР).