«Наука в СССР» 1990 №5

ШАГИ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Понятие "технология" в его обыденном земном смысле означает совокупность методов добычи сырья, изготовления материалов, их обработки для получения новых изделий. Результаты производства сильно зависят от окружающих условий, т.е. технологической среды. На космической орбите можно получать продукцию, по земным меркам необычную, а иногда и более совершенную. Иными будут и издержки производства.

Раскрывающаяся в космосе ферменная конструкция из углепластиковых трубок. Будет служить платформой для различных антенн и крупногабаритных сооружений (советско-французский эксперимент "Эра").

У нас и в США технологическая деятельность в невесомости приобрела такой размах, что по своему разнообразию приблизилась к технологии в самом широком смысле слова, освоенной в земной практике. Сегодня в реальных условиях космического полета не только выращивают полупроводниковые кристаллы, варят стекло, изготавливают сплавы, но и проводят сборочно-монтажные и ремонтно-профилактические работы, напыляют покрытия, испытывают материалы, узлы, оборудование. Результаты, полученные на борту советских пилотируемых и автоматических аппаратов, направлены на удовлетворение научных и хозяйственных потребностей человека. Вместе с тем они оказывают влияние на облик и технический уровень самих изделий космического машиностроения.

Своего рода технологическая среда, куда попадает аппарат, находящийся в орбитальном полете, уникальна по своим характеристикам. Длительная невесомость, глубокий вакуум, интенсивные солнечные лучи, потоки заряженных частиц, резкие температурные перепады — любое из этих свойств способно оказать революционизирующее влияние на развитие технологии. А ведь возможно еще и применить некоторые из них в комплексе или даже все вместе. Это тоже надо иметь в виду.

Но на заре развития практической космонавтики ученые и инженеры, создавая спутники, пилотируемые корабли и межпланетные автоматические станции, заботились лишь о нейтрализации разрушающего воздействия космических условий на конструкции, о защите бортовой аппаратуры. Ныне их задачи стали более разноплановыми, и речь идет уже о практическом использовании внеземных условий.

Нельзя сказать, что все свойства космической среды привлекают внимание технологов. Первое место здесь занимают солнечные лучи. Преобразуемые в электроэнергию, они питают все бортовые системы, включая печи для выращивания кристаллов, оборудование для напыления поверхностей в вакууме. А вот из остальных космических "благ" пока "задействована" только невесомость. Изредка находит применение космический вакуум. Остальным свойствам пока не пришел черед.

Правда, и земная технология развивалась не быстро, и не сразу ею были освоены все направления, известные современным специалистам. Она ровесница человечества и вместе с ним прошла через все эпохи и цивилизации, на протяжении веков видоизменяясь и усложняясь, становясь все более энергоемкой и автоматизированной, вовлекая в оборот ветер, воду, огонь, руду, атом.

ОТ ПРОСТОГО К СЛОЖНОМУ

Космическая технология родилась лишь в 1969 г. На корабле "Союз-6" Валерий Кубасов сваривал детали плазменной дугой низкого давления и плавящимся электродом, резал металл электронным лучом. Тогда впервые в космическом полете прошли экспериментальную проверку основные металлургические процессы — плавка материалов, формовка жидких масс, их охлаждение и кристаллизация. Было практически доказано, что в невесомости и в вакууме можно выполнять технологические операции. Одновременно выяснилось: протекают они там иначе, чем на Земле, так как на орбите решающую роль играют силы поверхностного натяжения, диффузия, капиллярные эффекты и другие мнежмолекулярные взаимодействия.

С тех пор прошло два десятилетия. На счет космической технологии уже записаны успехи, которых ждали, которые прогнозировали. На первых советских орбитальных станциях "Салют", на американской станции "Скайлэб" и в совместном полете кораблей "Союз" и "Аполлон" были поставлены опыты, позволившие специалистам сделать оптимистический вывод: продукция космических цехов в ряде случаев по качеству превзойдет земные образцы и сможет успешно служить в различных отраслях народного хозяйства и в науке.

Не обходилось и без разочарований. Некоторые советские и зарубежные специалисты под влиянием первых успехов сделали поспешное заключение: достаточно вынести производство в космос — и получаемая там продукция будет в обязательном порядке более высококачественной по сравнению с земными изделиями. Все оказалось, однако, гораздо сложнее. Так, некоторые подготовленные на Земле однородные сплавы после переплавки и кристаллизации в невесомости потеряли однородность, в них местами обнаружились скопления отдельных фракций. На борту станций "Скайлэб" американским астронавтам не удалось добиться нужных качеств у кристаллов антимонида галлия. А в кристаллах, выращенных из растворов на "Салюте-5", содержалось больше газожидкостных включений, чем в аналогичных земных образцах. Все эти неожиданности, преподнесенные невесомостью, свидетельствовали о том, что в космосе вещества во время фазовых превращений ведут себя по-разному и не всегда так, как мы рассчитываем, исходя из земного опыта и земных теорий. Вывод был однозначен — нужно разрабатывать основы нового раздела физики — "физики невесомости". Потребовались соответствующие полетные эксперименты, исследовательская и регистрирующая аппаратура. Поэтому наряду с производством продукции на орбитальных станциях развернулось серьезное изучение процессов тепло— и массопереноса.

И еще один урок мы извлекли. Отдельные неудачи отнюдь не могут дискредитировать сущность космической технологии материалов. Ей, как и земному

Заводы на орбите уже сегодня дают заметное количество сверхчистых материалов.

материаловедению, придется пройти трудный извилистый путь, но, конечно, значительно быстрее. За два десятилетия от первых затвердевших в космосе жидких масс металла и выросших кристаллов мы подошли почти вплотную к хорошо налаженному промышленному производству полупроводников и оптических стекол, однородных сплавов, беспримесных лекарств и вакцин. Последнее уже не назовешь умозрительными предположениями. Это конкретные достижения, осуществляемые сегодня на практике. Большой объем экспериментальных работ был выполнен космонавтами СССР в 1977— 1981 гг. на станции "Салют-6", в том числе и совместно с космонавтами других государств. Специалисты одиннадцати стран — Болгарии, Венгрии, Вьетнама, ГДР, Кубы, Монголии, Польши, Румынии, Советского Союза, Чехословакии и Франции — изыскивали оптимальные возможности для использования факторов космического полета в производственно-технических целях. Такой комплексный ход к исследованиям на широкой международной основе, и это стоит подчеркнуть, был принципиально новым в космической практике. В целом экипажами "Салюта-6" на технологических установках "Кристалл" и "Сплав" проведено почти 200 плавок, изготовлено около 300 образцов полупроводниковых материалов, сплавов, стекол, из них свыше 50 — по интернациональным методикам.

Впервые в практике были выращены сравнительно крупные трехкомпонентные кристаллы КРТ — соединения, состоящего из атомов кадмия, ртути и теллура. В земных условиях получить такие крупные экземпляры не удается из-за быстрого расслаивания расплава. Кристаллы КРТ находят применение в приемниках инфракрасного (теплового) излучения. Диапазон "зрения" этих приемников весьма широк — от 1 до 30 мкм. Был выращен и ряд других кристаллов, превосходящих по своим свойствам земные аналоги. Более упорядоченная внутренняя структура, чистота, большие размеры — таковы особенности космической продукции. Вот что значит "выключить из игры" столь мощную силу, как земная тяжесть.

Плотность дефектов кристаллической решетки германия и антимонида индия, выращенных в невесомости, в сто-тысячу раз меньше, чем у земных образцов. Подобные космические "изделия" обладают и более высокими электрофизическими параметрами. Следовательно, и радиоэлектронные приборы, работающие на таких кристаллах, отличаются повышенными техническими характеристиками.

На Земле в бассейне, имитирующим состояние невесомости, космонавты учатся монтировать солнечные батареи.

Интересно отметить, что на "Салюте-6" испробовали различные методы получения кристаллов, которые хорошо освоены на Земле. Это и направленная кристаллизация из расплава, и химический газотранспорт, и сублимация. Удалось получить ленточные, сферические кристаллы и тонкие кристаллические слои на подложке.

С помощью установки "Испаритель" в условиях космического вакуума проводилось свыше 200 напылений золота, серебра, меди и различных сплавов на стеклянные, полимерные и металлические поверхности.

Освоение этой технологии позволяет восстанавливать блеск зеркальных объективов и отражателей, не возвращая их на Землю, а значит, не затрачивая времени и средств на транспортировку.

При экспериментах на борту орбитальных станций выяснилось, что абсолютной невесомости в них нет. Из-за работы бортовых систем возникают знакопеременные ускорения, в сто тысяч-миллион раз более слабые, чем ускорение земной тяжести на уровне моря. А если экипаж выполняет физические упражнения, то перегрузки достигают еще более заметных величин, составляя уже тысячные доли земного ускорения (их часто называют микроперегрузками, микрогравитацией). Как ни малы они, из-за них в теле растущего кристалла образуются дефекты.

Возвращаемая капсула автоматического космического аппарата "Фотон", на борту которого изготавливаются различные материалы и биопрепараты. Установка "Пион-М". С ее помощью исследуется поведение расплавов в условиях невесомости.

Специальный "теневой" прибор позволил с помощью кинорегистратора запечатлеть на пленке поле плотностей и скоростей в жидкости в условиях малых ускорений. А они всегда имеются на орбитальной станции, подтверждая отсутствие гравитационной "стерильности" в аппаратах, летящих по околоземным орбитам. Сюда стоит добавить и ускорения, вызываемые внешними силами. Даже разреженная космическая атмосфера оказывает тормозящее воздействие на спутник, и на нем возникают постоянные, хотя и небольшие ускорения или перегрузки.

Снятые кадры позволили получить представление о развитии конвекции на границе раздела жидкость — газ и в объеме жидкости. Эти первые количественные сведения из области "физики невесомости", а также результаты, связанные с производством на станции "Салют-6" конкретных видов продукции послужили солидным заделом для последующих экспериментов в космосе.

И когда в 1982 г. на орбиту отправилась очередная станция "Салют-7", то для нее была разработана программа полупромышленного производства материалов. Электронагревательная печь "Корунд", доставленная на эту станцию грузовым кораблем "Прогресс-14", имела внутри барабан с набором ампул, которые автоматически подавались в зону нагрева и извлекались из печи для охлаждения. Управляла технологическим процессом специализированная бортовая ЭВМ. Благодаря совершенной конструкции печи и автоматизации работ на ней производительность ее была значительно выше по сравнению с первыми электронагревательными установками. Выход полупроводниковой продукции исчислялся уже килограммами. Если вспомнить, что потребности микроэлектроники, инфракрасной и лазерной техники в кристаллах тоже измеряется килограммами, то станет ясно: печи типа "Корунд" могут основательно разгрузить земное производство. Качество же космических образцов, как и ожидалось, оказалось хорошим.

На станции "Салют-7" впервые были начаты эксперименты в области биотехнологии. На установке "Таврия" методом электрофореза подвергались разделению клетки костного мозга крыс, сывороточный альбумин и гемоглобин человека, смесь белков. Выделенные фракции отличались высокой чистотой. В последующем на станции наряду с "Таврией" применялась еще одна электрофоретическая установка "Геном". На ней получен ряд ценных для медицинской и ветеринарной практики лекарств*.

*См.: Бессонов А.Ф. Космический марафон. — Наука в СССР, 1985, № 3 (прим. ред.).

НОВАЯ СТАНЦИЯ — НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Помимо производства материалов широко велись работы и по другим направлениям космической технологии. Различные экипажи испытывали новые бортовые системы и приборы в реальных условиях полета (навигационная аппаратура, двигательные установки, системы ориентации и терморегулирования). После доработки подобные системы в последующем были использованы на станции "Мир". Доводка технических устройств в своеобразных испытательных центрах, какими являются орбитальные станции, позволяет обойтись без сооружения уникальных стендов на Земле, что значительно сокращает затраты материальных ресурсов и времени.

Космос - новая технологическая среда. Невесомость, вакуум, облучение, температурные перепады позволяют получать необычные для Земли вещества.

Широкое распространение на "Салюте-7" получили сборочно-монтажные и демонтажные операции в открытом космосе. Космонавты во время одного из выходов наружу смонтировали крепежную платформу, а на ней — шарнирно-решетчатую ферму длиной 12 м с приборами на ее вершине. Затем с помощью универсального ручного инструмента (УРИ), использующего электронные лучи, они путем сварки и пайки создали жесткие неразъемные соединения в отдельных узлах конструкции. Беспримерными по сложности оказались технологические операции ремонта и восстановления. На борту станции "Салют-7" проводился как мелкий текущий ремонт, так и крупный, потребовавший от космонавтов недюжинного мастерства и мужества. На страницах журнала "Наука в СССР"* уже рассказывалось о том, как Владимир Джанибеков и Виктор Савиных в 1985 г. буквально вырвали станцию из "небытия", в результате чего она еще целый год активно служила на благо науки и народного хозяйства.

*См.: Глазков Ю.Р., Евич А.Ф. Ремонт на орбите. — Наука в СССР, 1986, № 4 (прим. ред.).

Еще более обширная программа технологических работ в космосе выполняется на станции "Мир", доставленной на орбиту 20 февраля 1986 г. Она выгодно отличается от предыдущих своим производственно-технологическим оснащением. В составе бортового оборудования имеются чехословацкая печь "Кристаллизатор", модифицированная электронагревательная установка "Корунд-1М". Последняя оснащена мини-ЭВМ, поддерживающей температуру в горячей и холодной зонах печи с точностью до полуградуса. Почти весь процесс автоматизирован, и на космонавтов возлагаются лишь простейшие обязанности: заложить капсулы в барабан, да по окончании операции (через 6-150 ч) извлечь их вместе с готовой продукцией. "Корунду-1М" доступны шесть технологических процессов для изготовления десяти различных материалов.

На станции "Мир" новое развитие получило международное сотрудничество в области космической технологии. С участием сирийского и болгарского космонавтов проведена серия экспериментов по материаловедению:

Космонавт Юрий Романенко на борту орбитальной станции "Мир" проводит один из технологических экспериментов.

выращивались многокомпонентные кристаллы, изготавливались различные сплавы.

Экипажи "Мира", опираясь на технологический опыт своих коллег по монтажу конструкций вне станции, регулярно работают в открытом пространстве. Одна из важнейших задач, решенных космонавтами в первый год функционирования станции, — это наращивание солнечных батарей. К двум имевшимся на станции солнечным панелям полезной площадью 38 м² они добавили третью длиной 10,6 м и общей полезной площадью 24 м². Энергообеспечение станции возросло с 7,7 до 11 кВт. А потребности в электроэнергии на "Мире" действительно немалые. Взять хотя бы технологическое оборудование. Только "Корунд-1М" потребляет около одного киловатта. А ведь еще постоянно включается гидролизная установка "Электрон", поглощающая воду из атмосферы и разлагающая ее на водород и кислород.

Установка "Каштан", предназначенная для разделения и очистки в невесомости биологически активных веществ методом электрофореза.

Впечатляющие операции были проведены на станции "Мир" 20 октября 1988 г. В тот день Владимир Титов и Муса Манаров, выйдя в открытый космос, заменили закапризничавший блок-детектор, созданный голландскими и английскими специалистами, на новый. Без исправного детектора один из рентгеновских телескопов был слеп. В течение 4 ч 12 мин космонавты, облаченные в скафандры, выполнили значительный объем демонтажных и монтажных работ, технология которых до этого тщательно проверялась на Земле. Им пришлось снять теплоизоляционное покрытие, отсоединить электрокабели от вышедшего из строя прибора, освободить его от крепежных элементов, а затем после установки нового детектора совершить те же операции в обратном порядке.

Электровакуумная печь "Сплав". В ней на орбите получают различные полупроводниковые материалы, сплавы, стекла.

На станции "Мир" успешно решаются отдельные технологические проблемы создания крупногабаритных конструкций — с ними связываются перспективы развития космической техники. Во время советско-французской экспедиции (декабрь 1988 г.) космонавты в открытом космосе испытали, как раскрывается ферменная конструкция из углепластиковых труб (эксперимент "Эра"). Внутри станции проверялась работа шарнирного соединения нового типа "Шарпантье" с уменьшенным трением (эксперимент "Амадеус"). А в марте 1989 г. уже в автоматическом режиме развертывались две крупногабаритные многозвенные конструкции из материала, обладающего памятью формы. Они были установлены на грузовом корабле "Прогресс", а за ходом их испытаний космонавты наблюдали со станции "Мир".

Первым к "Миру" доставили астрофизический модуль "Квант". В ближайшее время планируется нарастить станцию двумя новыми модулями. Один из них — технологический. Он предназначен для опытно-промышленного производства полупроводниковых высококачественных материалов, в которых нуждается микроэлектроника. Наряду с этим, благодаря разнообразному оснащению модуля технологическим оборудованием будут продолжаться исследования по изысканию оптимальных режимов изготовления материалов с улучшенными (по сравнению с земными образцами) характеристиками или вообще с новыми свойствами, не достигаемыми в наземных лабораториях.

В 1989 г. на станции "Мир" в экспериментальном порядке на коммерческой основе начато выращивание кристаллов белковых веществ для получения новых лекарств. Эта работа проводится по соглашению, подписанному с американской фирмой "Пэйлоуд системс". Еще раньше было заключено коммерческое соглашение с фирмой "Кайзер-треде" (ФРГ) о проведении технологических исследований на советском спутнике "Фотон" в 1989-1992 гг. Таким образом, космическая технология уверенно перешагивает межгосударственные границы, и ее успехи становятся достоянием многих стран и народов.

В.С. АВДУЕВСКИЙ,
академик

А.Ф. ЕВИЧ,
кандидат технических наук