НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Необходимость обеспечения длительной и надежной работы конструкции ОКС и ее многочисленного оборудования выдвигает перед учеными и инженерами ряд специфических задач, которые до сих пор почти не встречались в инженерной практике. Из этих задач мы рассмотрим лишь некоторые, постановка которых в технической литературе представляется сейчас наиболее интересной.

Нагрузки и демпфирование. С точки зрения строительной механики конструкция выведенной на орбиту ОКС представляет собой изолированную систему, лишенную поддерживающего фундамента и практически свободную от обычного для самолетных конструкций действия гравитационных сил, которые уравновешены центробежными силами, и аэродинамических нагрузок, пренебрежимо малых из-за чрезвычайной разреженности атмосферы.

Все это говорит о том, что конструкции космических аппаратов должны быть принципиально отличными от конструкций обычных летательных аппаратов, предназначенных для полетов в атмосфере. При этом главную роль для конструкции ОКС играют два типа статических нагрузок. Нагрузки первого типа возникают от внутреннего давления — наддува. Наддуву воздухом подвергаются жилые и рабочие отсеки ОКС. Создание таких отсеков достаточного объема требует разработки легких и прочных оболочек, хорошо воспринимающих внутреннего давление, близкое к нормальному атмосферному. Появление нагрузок второго типа — от центробежных сил — возможно тогда, когда всей конструкции или части ее сообщается постоянная скорость собственного вращения для создания искусственной силы тяжести. Максимальная нагрузка при этом будет равна по величине создаваемой силе тяжести.

Динамические нагрузки на конструкцию ОКС будут несравнимо меньшими по величине, нежели нагрузки на атмосферный летательный аппарат.

Тем не менее проблема демпфирования колебаний конструкции ОКС, нуждающейся в точной ориентации и стабилизации, считается очень важной. Между гашением колебаний в обычных строениях и демпфированием в орбитальной конструкции существует принципиальная разница. Большая часть энергии динамических нагрузок, воспринимаемых наземным сооружением при землетрясении или сильных порывах ветра, передается фундаменту и затем рассеивается в грунте, а также идет на возбуждение колебаний окружающих воздушных масс. Вся энергия динамического возбуждения конструкции ОКС, являющейся изолированной механической системой, должна быть поглощена и рассеяна внутри самой конструкции.

Демпфирование должно произойти за счет деформации элементов конструкции или за счет трения при относительном сдвиге деталей соединения (например, заклепочного). Последний тип демпфирования называется скользящим.

Смазка. Смазывание трущихся элементов машин в космосе необходимо не только для уменьшения трения, а следовательно, и энергии, потребной для перемещения и охлаждения движущихся деталей, но и для предотвращения взаимного схватывания (сваривания) трущихся элементов. В условиях космического вакуума это явление может возникнуть из-за отсутствия между трущимися поверхностями обычной в земных условиях тонкой пленки водяного пара в несколько молекул толщиной.

Отсутствие такой пленки в условиях космоса способствует, кроме того, повышенному испарению смазки и сублимации (испарению с твердой поверхности) самих металлов. Это явление представляет известную опасность для механических элементов — шестерен, подшипников, кулачков, а также для электрических контактов реле и переключателей.

Применение обычных нефтяных и жировых смазок для ОКС в условиях низкого вакуума чрезвычайно затруднено. В известном смысле задача обеспечения надежной смазкой в вакууме подобна проблеме смазки при нормальных давлениях, но повышенных температурах. Как нагрев, так и уменьшение давления увеличивают скорость испарения нефтяного масла или жировой смазки, в результате чего увеличивается сила трения в движущихся деталях. При этом температура деталей повышается, что еще больше способствует испарению смазки. Поэтому для смазки наружных агрегатов ОКС должны применяться специальные жиры и масла с низким давлением паров, в частности такие, которые разработаны в настоящее время для вакуумных насосов и высокотемпературных нагруженных деталей.

Трудность при конструировании системы смазки, предназначенной для работы в вакууме, состоит еще и в том, что необходимо учитывать возможность выдувания смазочных материалов из подшипников и других смазываемых деталей в процессе выведения космической станции на орбиту, когда наружное давление быстро уменьшается.

А как будет влиять на смазку деталей и механизмов OKC отсутствие кислорода в космической среде? С одной стороны, это обстоятельство можно считать благоприятным, поскольку в, смазке не будет образовываться вредный отстой вследствие реакции масла или жира с кислородом. С другой стороны, без кислорода на трущихся поверхностях не образуется окисная пленка. Между тем экспериментально установлено, что смазка осуществляется благодаря химической реакции между металлом поверхности и входящими в состав масла жирными кислотами. Эти реакции протекают только при наличии окисной пленки и усиливаются в присутствии кислорода и воды. Невозможность протекания таких реакций в условиях космической среды будет также ухудшать процесс смазки.

Разрабатываемые в настоящее время принципиально новые виды смазок найдут широкое применение на орбитальных станциях. Например, смазочным материалом в вакууме может быть тонкая пленка из мягкого металла (рис. 29), помещенная между двумя трущимися деталями. Сила трения F при этом будет небольшой, так как нагрузка давления будет восприниматься на небольшой площади контакта А и при небольшом касательном напряжении S. В качестве материала для такой смазывающей пленки в особо ответственных сочленениях можно использовать серебро или золото.

Рис. 29. Влияние структуры трущихся деталей на величину силы трения (F=SA)

В качестве вакуумной смазки может быть применен и твердый материал — сернистый молибден, структуру которого такова, что атомы серы допускают проскальзывание разных слоев металла относительно друг другу.

Внедрение смазки твердыми материалами связано с определенными трудностями. Во-первых, коэффициент трения твердых смазок все-таки намного выше, чем жидких. Это приводит к большому выделению тепла, которое к тому же трудно отвести, поскольку нет обычного при жидкой смазке протока масла. Во-вторых, твердые смазки не так живучи, как жидкостные смазочные системы, в которых масло постоянно очищается и обновляется. Тонкие пленки твердой смазки подвержены значительному износу и не способны самовосстанавливаться. Простое утолщение пленки не решает проблемы живучести, так как, чем толще пленка, тем труднее обеспечить надежное ее сцепление с основной поверхностью. Получение хорошего сцепления твердой смазывающей пленки выдвигает особые требования к чистоте обработки поверхности трения.

В некоторых подвижных деталях оборудования ОКС можно будет вообще обойтись без смазки. В состоянии невесомости на опоры не будет действовать нагрузка от веса деталей, поэтому важно лишь обеспечить небольшие усилия трения, а прочностные требования отступают в этом случае на второй план. Это значит, что детали таких агрегатов можно сделать из легких органических материалов, имеющих низкие коэффициенты трения. Некоторые пластики, например тефлон и нейлон, уже используются в качестве материала для самосмазывающихся шестерен и подшипников в самолетостроении. Тефлон, мягкий, но стойкий термопластик, обладает из вcex известных твердых веществ наименьшим коэффициентом трения (0,04). Для повышения сопротивляемости износу детали из тефлона обычно армируют металлическими волокнами, графитом, стеклянным порошком или сернистым молибденом. Применяют его и в качестве смазывающего наполнителя. Пористые металлические поверхности, наполненные тефлоном, имеют такой же коэффициент трения, как и чистый тефлон, и отлично противостоят деформациям и износу. Фрикционные свойства нейлона несколько хуже, чем тефлона, но зато он более тверд и износоустойчив.

Необходимо отметить все же, что использование для смазки узлов конструкции ОКС пластических материалов ограничивается их невысокой антирадиационной стойкостью.

Далее...