Чтобы фигура космической конструкции была действительно атлетической, недостаточно снабдить ее нужным количеством крепких «мышц». Следует еще позаботиться о том, чтобы каркас ракеты принял «спортивную» осанку под стать своей мышечной системе. Дело, конечно, не в каких-то эстетических соображениях. Никому еще не пришло в голову готовить космические ракеты к участию в конкурсе красоты. Выбирая для них ту или иную форму, конструктор прежде всего заботится о высокой прочности и малом весе. Порой только искусно подобранным внешним видом тех или иных частей конструкции ему удается примирить весовщиков и прочнистов. В умелых руках форма становится мощным средством борьбы за вес. За примерами далеко ходить не надо, их можно найти даже в обычной технике.
Известно, что если какой-то брус изгибается внешними усилиями, то далеко не весь его материал включается в работу. Выявив и удалив эту неработающую часть, можно значительно облегчить брус, не снижая его прочности. То, что остается, противостоит изгибающим нагрузкам ничуть не хуже, чем первоначальный полновесный четырехгранник. Так появились двутавровые балки, гораздо более легкие, но не менее прочные, чем балки прямоугольного сечения. Лишний, неработающий материал был найден и в стержнях, закручиваемых внешними силами. Оказывается, вовсе не обязательно делать их сплошными: легкая пустотелая трубка выдерживает такое же сильное скручивание, как и литой стержень. Причем круглая труба куда прочнее и жестче, чем квадратная.
 Слева изображены так называемые гнутые профили (а), обладающие немалой устойчивостью и жесткостью. Но при большой нагрузке они теряют устойчивость, выпучиваются, изгибаются и закручиваются. При этом прямые углы превращаются в тупые (б). Чтобы повысить выносливость этих элементов, достаточно немного изменить их форму — отогнуть на кромках бортик (в). Справа показана часть оболочки корпуса ракеты, усиленная стрингерами (а) и шпангоутами (б). |
Несложное изменение формы иногда резко увеличивает устойчивость и жесткость элементов конструкции. Линейка при сжатии легко изгибается и теряет устойчивость. Но если соединить две линейки в виде уголка, то их устойчивость резко возрастет: стороны уголка взаимно подпирают друг друга. Так появились в конструкциях гнутые профили. Еще большей устойчивости можно добиться, если отогнуть на кромках уголка бортики, сделать отбортовку. Профили с отбортовкой ныне широко распространены в технике.
В космических конструкциях не перечесть различных стержней и балок. Какую экономию веса сулит правильный выбор их формы и строения! Архитекторам малых деталей ракеты есть над чем призадуматься. Взять хотя бы стенки корпуса.
В быту, перевозя с места на место вещи, требующие бережного обращения, мы заботимся о специальной таре с гофрированными или иного рода амортизирующими стенками. Что же говорить о космической ракете, транспортирующей упакованный в нее ценнейший груз — спутник или пилотируемый корабль? Самая простая обшивка — листовая — не всегда оказывается здесь надежной. Не нужно забывать, что стенки корпуса должны противостоять вибрации, вызванной работой ракетных двигателей, а по возможности, и гасить ее. Поэтому в ракетах нередко используют оболочки со сложной внутренней структурой — вафельные, сотовые или слоистые. Порой их усиливают стрингерами и шпангоутами — продольными и поперечными укрепляющими ребрами. Такие стенки, способные заменить целый каркас, становятся как бы наружным скелетом ракеты. Она уподобляется черепахе, вся прочность и жесткость которой в панцире. Только для ракеты прочность и жесткость не единственные решающие условия. Ведь ей предстоит летать, а не ползать, как черепахе, и вес панциря для нее далеко не безразличен. И нужно еще подумать об удобстве крепления других частей конструкции, о метеоритной и радиационной защите. Лишь с учетом всех этих требований выбирается структура стенки.
 Различные типы обшивок ракет и космических аппаратов: 1 — листовая; 2 — вафельная; 3 — усиленная стрингерами; 4 — трехслойная с пенопластом в качестве заполнителя; 5 — трехслойная со швеллерными профилями внутри; 6 — трехслойная с заполнителем из гофра; 7 — трехслойная с сотовым заполнителем. |
Чем крупнее проектируемая часть конструкции, тем весомее может быть выигрыш за счет ее строения или формы. Вот, например, топливные баки. Они могут быть и сферическими, и цилиндрическими, и коническими, и даже тороидальными, в виде бублика. Форму этих сосудов стремятся выбрать такой, чтобы при той же вместимости они весили как можно меньше. Наилегчайший сосуд при данном объеме — сфера. Кроме того, она лучше других сосудов выдерживает высокое внутреннее давление. А как мы уже знаем, в топливные баки накачивают под давлением газ. Но трудно соединять друг с другом круглые баллоны в многоступенчатой ракете. Ведь нужно укрепить один над другим бак с окислителем и бак с горючим. Тот из них, в котором более холодная жидкость, должен находиться подальше от огнедышащего двигателя.
Проблема осложняется еще и тем, что размеры этих сосудов совершенно различны, поскольку окислителя требуется, как правило, в несколько раз больше, чем горючего. Конструкция, жестко связывающая столь разнокалиберные баки, съедает весь выигрыш в весе, полученный благодаря их сферичности. Поэтому гораздо чаще в космических ракетах устанавливают цилиндрические топливные резервуары, хотя они примерно в 1,3 раза тяжелее. Зато цилиндры удачно вписываются в очертания ракеты, а боковые их поверхности становятся стенками корпуса. Но если форма баков не предписана вытянутыми контурами ракеты, то их делают сферическими или тороидальными.
У тора есть кое-что общее со сферой: он хорошо противостоит распирающему его изнутри давлению. Объясняется это тем, что только два геометрических тела — сфера и тор — не изменяют свою форму, если раздувать их объем. Сколько бы мы ни дули в резиновый шар, он все равно останется шаром, как бы мы ни накачивали автомобильную камеру, она так и останется «бубликом». Любая другая форма — конус, цилиндр, эллипс — неизбежно искажается, деформируется при внутреннем наддуве. Поэтому с точки зрения механической прочности тороидальный бак так же выгоден, как и сферический. Но поверхность тора больше, чем поверхность шара того же объема, и бак-«бублик» тяжелее, несмотря на то что толщина стенок у него такая же. Да и устройство, вытесняющее топливо из бака в двигатель, у тора сложнее, чем у шара. Зато у тороидального бака есть другое, полезное, с точки зрения конструкторов, качество.
Кольцевой сосуд очень удобно сочетать с баллоном иной формы — сферой или цилиндром. Причем вместимость их может быть совсем неодинаковой, под стать запасам горючего и окислителя. Комбинация получается весьма компактной и хорошо увязывается с общим каркасом. Можно даже вдвинуть внутрь кольца ракетный двигатель. Тогда сокращается длина всей конструкции, а значит, и вес. Так размещен, например, тормозной двигатель в советских автоматических станциях «Луна». Дырка от «бублика» оказалась ценным приобретением, экономящим вес космического аппарата.
 Топливный отсек ракеты с подвесными тороидальными баками: 1 — корпус ступени; 2 — бак для жидкого водорода; 3 — бак для жидкого кислорода; 4 — ЖРД. |
Геометрия всей ракеты в целом находится под неослабным контролем аэродинамиков. С ними не поспоришь, если не хочешь иметь дело с повышенным сопротивлением воздушного потока, обтекающего ракету. Иначе потребуется больше топлива, чтобы набрать ту же самую скорость полета. «Удобообтекаемая форма лучше, чем добавочный вес», — охотно соглашаются конструкторы и утончают ракету, как того требуют аэродинамики, уменьшают ее поперечное сечение. Но никуда не деться от огромных запасов горючего и окислителя. Поэтому, урезая диаметр ракеты, в то же время вытягивают ее корпус, чтобы сохранить вместимость. Так получаются стремительные стрелы современных ракетных носителей.
Конструкторам даже нравятся ракеты малого калибра: уменьшаются размеры и вес днищ топливных баков, увеличивается степень заполнения баков жидким горючим и окислителем и в конечном итоге возрастает скорость полета ракеты. Можно теоретически, с помощью математики, проследить, как увеличивается быстрота разгона ракеты по мере ее утончения. При некотором диаметре скорость становится максимальной. Вот что значит конструктивное и аэродинамическое совершенство! Что ж, видимо, повезло ракетостроителям с выбором формы и не о чем уже беспокоиться? Теория подсказывает им наилучший внешний вид ракеты. К сожалению, — этот найденный на кончике пера конструктивный образ так и остался в теории. Практически осуществить его никак не возможно.
Всему есть мера, даже аэродинамическому совершенству. Чересчур тонкий и длинный корпус ракеты вызывает сомнения у прочнистов своей пониженной жесткостью. Придется укреплять его, а это уже превышение заданного веса. Недовольны и специалисты по стартовому оборудованию — все наземные сооружения возрастут в размерах и чрезвычайно усложнятся. Производственникам тоже не нравятся слишком длинные ракеты, требующие новой оснастки заводских цехов и новых технологических подходов. А как доставлять на космодром эти сверхудлиненные ступени, не укладывающиеся ни в какие габариты транспортируемых грузов?
 Слева — советская автоматическая станция «Луна-16»: 1 — кольцевой топливный бак; 2 — двигатель посадочной ступени, установленный в отверстии топливного бака. Справа — советская автоматическая межпланетная станция «Марс-3»: 1 — цилиндрический топливный бак, являющийся основным несущим элементом конструкции. К нему крепятся все остальные части; 2 — тороидальный приборный отсек; 3 — корректирующий и тормозной двигатель, установленный в отверстии приборного отсека. |
Нет, не на всякое утончение ракет согласны ракетостроители. А тот наилучший диаметр, который обеспечивает носителям наивысшую скорость, и вовсе лежит за пределами достижимого. Никогда не увидим мы на стартовой площадке ракету-«иглу», навечно заточенную в математические формулы. Не вызволить ее оттуда никакими магическими заклинаниями. В современной космической технике установился своеобразный стандарт на калибр и удлинение ракет: у большинства из них высота превышает диаметр в 10-15 раз.
Всегда ли будут справедливы эти ракетно-архитектурные нормы? Или со временем в моду войдут другие пропорции ракет?
Не исключено, что с ростом грузоподъемности ракетных носителей все перевернется с ног на голову. Уже сейчас появляются проекты гигантских ракет-тяжеловозов с совершенно иным соотношением длины и диаметра. Взять хотя бы предложенный американскими специалистами многоразовый носитель «Нексус». Облик его довольно необычен с современной точки зрения: поперечный размер почти такой же, как высота. Ракета «Нексус» в четыре раза тяжелее самой мощной ныне американской ракеты-носителя «Сатурн-5» и рассчитана на вчетверо больший груз. «Сатурн» рядом с «Нексусом» выглядит тощим Дон Кихотом: при той же примерно высоте последняя в пять раз шире.
 Отличие форм и размеров проектируемой американскими конструкторами ракеты «Нексус» от ранее созданных ракет-носителей. |
Как бы ни гордились конструкторы своими достижениями, сколько бы ни восхищались творениями своего ума и опыта, они ни на минуту не забывают, что каркас ракеты и обшивка — всего лишь неизбежный балласт. Поэтому конструкторы сами заботятся о том, чтобы тщательно продуманная ими и до мелочей отработанная конструкция, освобождаясь от топлива, отделялась от ракеты в полете, отваливалась по частям. Хорошо бы делать это без промедления, ежеминутно и ежесекундно, чтобы не расходовать ни капли горючего на разгон ненужной уже массы. Но масса современных ракет уменьшается в полете скачками, в моменты отделения выгоревших ступеней. Так почему не выбирают ступени помельче? Почему не увеличивают их число, чтобы как можно чаще отбрасывать опорожняющуюся часть конструкции? Ведь это сулит несомненный выигрыш.
Конечно, ракетная ступень не может быть сколь угодно малой. Некоторые детали конструкции или системы управления никак не изготовишь в миниатюрном варианте. Но до этих производственных трудностей дело так и не дошло. У современных ракет-носителей по три-четыре ступени, не больше. Интерес к дальнейшему дроблению ракеты конструкторы потеряли раньше, чем технологи. Что-то остановило их на пути наиболее полного воплощения в жизнь идеи К. Э. Циолковского. Что же? Давайте еще раз обратимся к той многоступенчатой ракете, выводящей космический аппарат на орбиту вокруг Солнца, о которой мы говорили в начале книги.
Достаточно увеличить в этой ракете число ступеней с двух до трех, как необходимые запасы топлива снижаются примерно в 4,5 раза. Четырехступенчатой ракете нужно уже в шесть раз меньше топлива, чем двухступенчатой. А вот последующие шаги в сторону большего числа ступеней не так впечатляющи.
В пятиступенчатой ракете топлива почти в семь раз меньше, чем в двухступенчатой. По сравнению с конструкцией из четырех ступеней выигрыш невелик — всего в 1,13 раза. Добавив одну ступень к двухступенчатой ракете, мы получили куда более значительное снижение веса. И с каждой новой добавляемой ступенью эффект становится все менее ощутимым. Содержимое топливных баков шестиступенчатой ракеты лишь в 1,07 раза легче, чем у пятиступенчатой. Согласитесь, что игра не стоит свеч. Ведь, совершая очередное дробление ракеты, мы намного усложняем ее конструкцию: на каждой ступени приходится ставить свой двигатель с обслуживающими его устройствами, свои органы управления, свой механизм отсоединения от остальных частей. Мало того, с увеличением числа ступеней заметно снижается надежность запусков, так как растет число отказов и неисправностей из-за возросшего количества элементов в ракете.
Конструкторы столкнулись со своеобразным «барьером» числа ступеней и решили, что нет смысла двигаться дальше. Но воображению не прикажешь, оно не хочет считаться ни с какими препятствиями и, оставляя «барьер» далеко позади, увлекает ракетостроителей к совершенно фантастической конструкции, в которой дробление доведено до предела. Мысленно увеличив число ступеней до бесконечного количества, они получили самую многоступенчатую ракету, какую только можно себе представить и к которой не прибавишь уже ни одной ступени. А так как ступени бесконечно малы и слились в одну сплошную массу, то их отбрасывание происходит непрерывно. Каждое мгновение ракета теряет крохотную долю конструкции, уже освободившуюся от топлива. Что может быть заманчивей и эффективней! Жаль только, что ракета воображаемая.
Но ракетостроители не желают расставаться со своей фантазией. Махнули рукой на шести-, семи— и восьмиступенчатые ракеты, а бесконечноступенчатую то и дело удостаивают вниманием в научных трудах. Только как же к ней подступиться? Придется, видимо, шаг за шагом продвигаться вперед, постепенно наращивая число ступеней?
Нет, не собираются ракетостроители брать «барьер» числа ступеней ни штурмом, ни осадой. На уме у них совсем другое.
Еще в 20-х годах русский изобретатель Ю. В. Кондратюк в своей книге «Завоевание межпланетных пространств» предложил использовать в качестве ракетного топлива некоторые металлы. Такая возможность существенно меняет взгляд на конструктивную массу ракеты. Если в топке ракетного двигателя будет сгорать металл, какая тогда разница между конструкцией и топливом? И то, и другое может давать энергию для полета. Именно так был поставлен вопрос в трудах Ф. А. Цандера, выдвинувшего смелую идею — сжигать части конструкции ракетоплана, как только отпадает в них необходимость. Поедая сам себя, ракетный летательный аппарат будет обретать силу для своего движения.
Вот вам и конструктивное воплощение бесконечноступенчатой ракеты! Незачем отбрасывать пустые, отработавшие ступени. Их нужно сжигать постепенно, по мере освобождения. Идея Цандера помогает конструкторам представить себе воображаемую ракету, непрерывно избавляющуюся от лишней массы. Больше того, можно даже превзойти этот казавшийся недостижимым идеал. Ведь освобождающаяся от топлива конструкция будет не просто отбрасываться, облегчая ракету, а истекать высокоскоростной реактивной струей, дающей тягу. Выигрыш получается двойной. А если вдуматься как следует, то даже тройной.
Возьмем, к примеру, такой широко распространенный в ракетной технике металл, как алюминий. Сгорая, он дает почти столько же тепла, сколько выделяет уголь самого высшего сорта. Но на один килограмм угля расходуется 2,7 килограмма кислорода, а на килограмм алюминия — меньше килограмма. И даже по сравнению с водородом, нередко используемым как ракетное горючее, алюминий более выгоден. Хоть водород и выделяет при сгорании в четыре раза больше энергии, чем этот металл, зато он требует в девять раз больше запасов окислителя.
 Когда научатся сжигать вместе с топливом освобождающуюся конструкцию ракеты, появится возможность увеличить движущую тягу. |
Дело за конструкторами. Вот тут-то и должны они показать свое искусство — пропустить сквозь камеру сгорания ракетного двигателя отслужившую конструкцию. Пускай послужит еще раз, теперь уже в другом качестве! Задача не из легких, поэтому не видим мы пока таких ракет. Но кое-какие результаты получены. Например, в двигателях первых американских ракет «Поларис» сжигали не только полиуретановое топливо, но и содержавший его алюминиевый резервуар. Это увеличивало тягу ракеты на 20 процентов.
Пристрастие космического конструктора к геометрии вполне объяснимо: творец космических аппаратов никак не должен забывать об их внешнем облике, К его услугам толстый атлас геометрических форм, который он может перелистывать, размышляя о преимуществах той или иной фигуры. Впрочем, все это давно уже проделано, и в современных технических справочниках можно найти оценку каждой формы.
Самое удивительное, что непригодных фигур практически не нашлось. Из уже запущенных и только еще задуманных космических аппаратов и станций можно составить полный геометрический набор. Здесь и сферы, и цилиндры, и конусы, призмы, торы-«бублики», диски,«гантели» и многое другое. Кажется, что космическое конструирование — это единственная область техники, где для всякой геометрической формы нашлась своя роль.
Прежде всего конструкторов прельщают самые элементарные фигуры. Не потому, что в детстве им плохо давалась геометрия. У этих элементарных много неоценимых достоинств. Начать хотя бы с того, что аппарат простой геометрической формы всегда компактен. Управлять таким аппаратом в полете куда удобней, чем какой-нибудь громоздкой, размашистой конструкцией, про которую не сразу скажешь, куда и как она повернется при включении двигателя. У компактных спутников меньше площадь поперечного сечения, поэтому невелико лобовое сопротивление и дольше время пребывания на орбите. А самая компактная из всех фигур — сфера.
Мы уже убедились в преимуществах сферической формы, когда речь шла о топливных баках. Наименьшая поверхность при заданном объеме, а значит, и наименьший вес оболочки — вот что отличает спутники-шары от многих иных. Таким был первый искусственный спутник Земли — знаменитый советский «ПС-1», «простейший спутник». Корпус его состоял из двух металлических полушарий, стягиваемых болтами, с резиновой прокладкой между ними. Установленные внутри приборы привыкли работать в земных условиях, поэтому спутник был наполнен азотом, давление которого равнялось атмосферному. В качестве газа-теплоносителя азот обеспечивал также равномерное распределение температуры в объеме спутника.
Снаружи глубокий вакуум, внутри атмосферное давление. Какова сила атмосферного давления, люди узнали еще три столетия назад, когда Отто Герике провел в Магдебурге свои знаменитые опыты. Шестнадцать лошадей не могли разъять сложенные вместе полушария, из которых откачали воздух. Спутник «ПС-1» представлял собой «магдебургские полушария» наоборот: атмосферное давление распирало его изнутри. Сферическая форма тут была весьма кстати, ведь круглые сосуды лучше любых других выдерживают высокое внутреннее давление.
Было еще одно обстоятельство, которое учитывалось при выборе «ПС-1». Благодаря своей исключительной симметрии сфера наиболее удобна для измерения тормозящей силы верхних разреженных слоев атмосферы. Говорят, что создатели первого спутника присовокупили к этим веским аргументам соображение эмоционального порядка, казавшееся им не менее важным. Они считали, что спутник должен походить своим обликом на естественные небесные тела, поскольку в сознании людей он навсегда останется символом начала космической эры человечества.
Конструкторам советской автоматической станции «Венера-8» пришлось решать такую же проблему, что и творцам первого спутника, только ситуация была как бы вывернута наизнанку. Дело в том, что атмосферное давление на поверхности Венеры чуть ли не в сто раз выше, чем на Земле. Подобно «магдебургским полушариям», спускаемый аппарат станции должен был сдавливаться снаружи атмосферными силами, только куда более мощными. И нужны были не менее тщательные предосторожности, чем те, которые предпринимал в свое время Отто Герике. Однажды, когда этот исследователь вздумал откачать из медного шара воздух, шар лопнул во время опыта с громким треском. Герике правильно разгадал причину этой неудачи — на поверхности шара оказался небольшой плоский участок. Только абсолютно правильная сфера может выдержать высокое наружное давление — таким выводом руководствовались вслед за Герике создатели «Венеры-8». Для спутника «ПС-1» забота об исключительной правильности сферической формы была ни к чему. Ведь он был подвержен внутреннему давлению, а оно само исправляет все отклонения от сферичности, скругляет все непроизвольные уплощения. В этом легко убедиться, раздувая различные резиновые фигуры.
83Все они стремятся при этом округлиться. Но при высоких наружных давлениях малейшее искажение сферической оболочки может оказаться роковым. Микроны геометрической точности заменяют здесь многие десятки килограммов веса, которые пришлось бы в противном случае добавлять, утолщая стенки корпуса. «Шарик» советской автоматической станции был изготовлен в полном соответствии со своим геометрическим образом, о чем свидетельствует его благополучная посадка на поверхность Венеры.
Вслед за первым спутником на околоземные орбиты вывели немало других сфер. Но на выпуклых стенках трудно было крепить чувствительные датчики измерительных приборов и элементы солнечных батарей, количество которых на борту спутников непрерывно возрастало. Пришлось отказаться от этой удобной формы. Сферы были заменены многогранниками, порой очень похожими на них и сохраняющими часть их достоинств. Так, если первые пять американских навигационных спутников «Транзит» были сфероидальными, то шестой и седьмой превратились уже в правильные шестнадцатигранные призмы. Плоские грани позволили установить на них необходимые для работы детали.
 Вращение тяжелой металлической балки вокруг продольной и поперечной оси. |
У сферы все оси совершенно равноправны и одинаковы. Ни одна из них не обладает каким-либо преимуществом, которое позволило бы выделить ее как ось ориентации аппарата. Поэтому не подходит сферический облик для спутников, ведущих наблюдение за земной поверхностью. Им нужна форма, более приспособленная для ориентации и стабилизации. На примере длинной железной балки легко подметить те качества, которыми должна обладать такая форма. Закрепив продольную ось балки в подшипниках, можно без особого труда вращать этот тяжелый металлический брус. Но попробуйте повернуть его вокруг другой оси — поперечной, проходящей через центр! Для этого потребуются немалые усилия. Продольная ось балки весьма неохотно меняет свое положение в пространстве. Если нацелить ее одним концом на Землю, а другим — на какую-нибудь звезду, то можно получить на орбите устойчиво ориентированный спутник, который не так-то просто сбить с «наводки».
Столь же неповоротлива продольная ось цилиндрической оболочки. Запущенный в космос пустотелый цилиндр не боится случайных воздействий, стремящихся нарушить его ориентировку. А если еще закрутить цилиндр вокруг продольной оси, то он, подобно волчку, будет активно сопротивляться любой попытке изменить направление этой оси. Поэтому цилиндрическая форма придана многим искусственным спутникам Земли, для нормальной работы которых нужна точная ориентация. В цилиндрический корпус упаковано, например, все оборудование советской автоматической станции «Прогноз», весящей 845 килограммов. Чтобы обеспечить бесперебойный рабочий режим научным приборам и солнечным батареям, продольную ось цилиндра навели на Солнце и заставили станцию крутиться вокруг этой оси, как веретено. Традиционно цилиндрический корпус у многих советских спутников серии «Космос».
Как видим, геометрию спутника подсказывает его назначение. Порой даже просто навязывает. Например, спутнику-рефлектору предстоит фокусировать и отражать в определенном направлении радиоволны или лучи света. Такой спутник не представишь себе иначе, как в виде гигантского параболического зеркала. С помощью космических зеркал предлагают освещать ночью отдельные участки земной поверхности. Двенадцать отражателей, диаметром по 300 метров каждый, могли бы отбрасывать на Землю «зайчик» свыше 300 километров в поперечнике. В безоблачную ночь освещенность была бы такая же, как от десяти Лун.
Спутник в виде пластины, повернутый своей плоскостью навстречу движению, пригоден для подсчета метеоритов, пронизывающих околоземное пространство. Тот же спутник-пластина, повернутый своей плоскостью к Земле, — идеальный объект для наблюдения и быстрого опознавания. Регулярные наблюдения проводятся, например, за геодезическими искусственными спутниками. Отражая плоской поверхностью направленный на него с Земли луч лазера, небесный странник может оповещать о своем местоположении. Если закрутить пластину вокруг оси, лежащей в ее плоскости, то спутник предстанет земному наблюдателю далеким мигающим фонариком. Чем быстрее вращается пластина, тем чаще мигает «фонарик». Частота мигания может служить опознавательным сигналом спутника.
Американские специалисты решили наблюдать земную поверхность с помощью спутника, не ориентированного постоянно на Землю. Так на орбиту попала еще одна геометрическая форма — «колесо». Это был метеорологический спутник «Тирос-9», фотографировавший облачный покров. На противоположных концах его диаметра установили две телевизионные камеры. Поскольку закрученное «колесо» как бы катилось по орбите, попеременно то одна, то другая камера наводилась на Землю, обеспечивая почти непрерывное наблюдение.
Побывал в космосе даже крылатый конь «Пегас». Такое название дали американскому спутнику, раскрывшему на орбите два огромных «крыла», размах которых достигал почти 30 метров, а ширина — 4,3 метра. Спутник измерял плотность метеоритного потока. Хитроумные приборы фиксировали место и время каждого пробоя «крыла» метеоритом.
 Советский метеорологический спутник «Космос— 149» с воздушным стабилизатором. |
Порой спутник уподобляют по внешнему виду оперенной стреле: к нему крепят воздушный стабилизатор. Тогда в полете он всегда устремлен «наконечником» вперед. Но о какой воздушной стабилизации может идти речь, спросите вы, если спутник совершает свой полет на весьма значительном удалении от Земли? Хоть и ничтожно мала плотность атмосферы на больших высотах, пренебрегать ею не стоит. Сила воздушного потока, обдувающего космический аппарат, не превосходит десятых долей грамма. И все же «оперенный» корпус спутника повинуется этому легчайшему дуновению. Такая стабилизация впервые была применена на советском метеорологическом спутнике «Космос-149». Немалое требовалось искусство, чтобы сделать массивный аппарат послушным едва ощутимому встречному «ветру».
Геометрия щедро одарила космических конструкторов, но одну весьма интересующую их форму им так и не удалось заполучить. Не нашлось такого геометрического образа, воплотившись в который спутник не ощущал бы тормозящей силы со стороны разреженных слоев атмосферы. Пришлось конструкторам прибегнуть к выдумке. И вот на орбите появляется своеобразная «матрешка» — вложенные друг в друга спутники. Для чего же понадобился столь необычный эксперимент?
|
Спутник на орбите — это весьма чувствительный прибор. Нужно лишь научиться понимать его показания — наблюдаемые с Земли особенности движения космического аппарата. Немало расскажут они о строении нашей планеты, о неравномерностях распределения ее массы и о многом другом. Но ни один искусственный спутник не придерживается строго той орбиты, которая предписана ему силами земного притяжения. Это вызвано целым рядом причин: торможением спутника в верхних слоях атмосферы, давлением на него солнечных лучей и даже ударами мельчайших метеоритов. По сравнению с гравитационной силой эти воздействия ничтожно малы. Например, тормозящая сила разреженных воздушных слоев на высоте 400 километров в десятки тысяч раз слабее, чем притяжение Земли. Давление лучей Солнца слабее в миллион раз. А давление потока микрометеоритов в миллион раз меньше солнечного давления. «Отдача» от излучения радиоантенны — и та в сотни раз сильнее метеоритного воздействия. Но даже эти легчайшие прикосновения, не оставляющие космический аппарат в покое ни на минуту, ни на секунду, приводят к довольно ощутимым результатам. Достаточно сказать, что продолжительность существования искусственных спутников Земли определяется именно сопротивлением разреженной атмосферы. Чтобы использовать спутник для геодезических измерений высокой точности, нужно уберечь его от этих влияний.
 Спутник в футляре надежно защищен от воздействия негравитационных сил. |
У всех негравитационных сил есть одна общая черта: в отличие от притяжения Земли они действуют только на поверхность аппарата. Это подсказало оригинальное решение — послать на орбиту спутник в защитном футляре. Футляр воспримет своей поверхностью весь натиск внешней среды, а заключенный в него спутник совершит беспрепятственный полет по орбите, воспроизводя гравитационное движение в чистом виде. Так был сконструирован американский спутник «Трайяд-1», несущий в своем чреве другой спутник. Наружный спутник-футляр снабжен реактивными двигателями. Их тяга позволяет ему управлять своим полетом, подстраивая его к неискаженному движению внутреннего спутника. Таким образом оба спутника — футляр и его содержимое — «шагают в ногу». Перемещаясь по правильным, в своем роде образцовым, околоземным орбитам, они могли бы служить хорошими навигационными ориентирами. Наблюдая в открытом море за прохождением искусственного небесного тела, не подверженного никаким возмущающим воздействиям, можно определять местоположение судна с точностью до 25 метров.
 Спутник «Трайяд-1»: 1 — передающая антенна; 2 — блок электронного управления; 3 — центральная часть спутника, внутри которой заключено тело, ограждаемое от внешних воздействий; 4 — блок энергопитания. |
«Трайяд» — не единственный спутник-«матрешка». И задача, которую он выполняет, не единственно возможная для таких конструкций. Взять хотя бы «Интеркосмос-18». Родившись в результате сотрудничества социалистических стран, этот спутник сам дал жизнь другому космическому аппарату. Когда он был уже на орбите, из чрева его вышел чехословацкий малый спутник «Магион». Отделившись от своего родителя, «Магион» не смог бежать вровень с ним и стал постепенно отставать, примерно на 25 сантиметров за секунду. Ученые задумали этот космический эксперимент, чтобы изучить поведение электромагнитных полей в околоземном пространстве. Одного спутника для этой цели оказалось недостаточно. Необходимы были согласованные измерения сразу на двух аппаратах. Сначала приборы «Интеркосмоса», движущегося впереди, регистрировали какое-то явление, а через некоторое время его же фиксировала аппаратура «Магиона». Стало возможным проследить, что произошло с этим явлением за прошедший отрезок времени, как оно развивается. Измерения проводились до тех пор, пока спутники не разошлись почти на тысячу километров. После этого эксперимент пришлось прекратить.
СОВМЕСТИТЬ НЕСОВМЕСТИМОЕ
Попробуем взглянуть на космический аппарат глазами тех специалистов, которые участвуют в его создании. Прочнистам хотелось бы видеть в нем воплощение прочности и надежности. Двигателисты готовы весь его внутренний объем заполнить топливными баками, двигателями и обслуживающими их системами в ущерб остальному оборудованию. Если дать волю радистам, космический аппарат, как еж, ощетинится шипами турникетных антенн, над ним развернутся гигантские параболические чаши, настороженно прислушивающиеся к шепоту электромагнитных волн. Аэродинамики же стремятся свести на нет все старания своих предшественников. Росчерк пера — и вот на аппарате не найдешь уже ни одной замысловатой надстройки, ни одной выступающей детали. Лишь плавные, удобообтекаемые контуры и обводы. Испытатели не прочь совместить в единой конструкции целый набор форм и вариантов. Тогда первый же пробный полет избавит их от всех сомнений и позволит сделать однозначный выбор. Для технолога главное — экономичность и простота изготовления, чтобы задуманное можно было воплотить в реальное изделие с наименьшими затратами труда и материала.
  Космический аппарат обычно устанавливают на ракете-носителе под лепестками головного обтекателя. |
Как тут не вспомнить басню Крылова о лебеде, раке и щуке! Остается только удивляться, что множество несовместимых, казалось бы, требований удается все же свести воедино, увязать в одном проекте. Задача эта ложится на плечи проектировщиков. Не раз приходится им перетрясать всю конструкцию заново, чтобы в тугом клубке противоречий отыскать наилучшее решение, не поступаясь ничьими интересами. Сделать это совсем не просто, ведь в основе многих конфликтов лежит дефицит веса космической конструкции.
Скажем, узнали радисты, что межпланетному кораблю предстоит вести передачи из миллионокилометровой дали, и предложили повысить мощность передатчика и поставить новую антенну, создающую острый, как игла, радиолуч. Такая антенна представляет собой параболическую чашу диаметром свыше 10 метров. Вместе с передатчиком это уже внушительный вес и объем. Электрики в свою очередь заявили, что для питания столь мощного передатчика потребуются обширнейшие панели солнечных батарей и более тяжелый аккумулятор, чем предполагалось вначале. Тепловики немедленно отреагировали на это, предусмотрев сложную, а потому и весомую систему терморегулирования. Ведь работа мощного энергетического оборудования будет сопровождаться высоким тепловыделением. Возможен перегрев приборного отсека корабля. Специалисты по управлению тоже поспешили зарезервировать дополнительные места и вес. Чтобы направить «радиоиглу» точно на Землю, нужна более совершенная, а следовательно, и утяжеленная система ориентации.
| Таким, по мнению художника, представляется космический аппарат различным специалистам, участвующим в его создании. |
Но мощность ракетных двигателей не беспредельна. Ракета-носитель может вывести на орбиту только строго определенный по весу груз. И вот союзники, работающие над одним проектом, превращаются в конкурентов, оспаривающих друг у друга драгоценные дециметры объема и килограммы веса. Одновременно удовлетворить их запросы невозможно: вес какой-либо системы можно увеличить лишь за счет облегчения других систем. Успех проекта в целом зависит теперь от опыта и умения проектировщиков. Удастся ли им примирить различные службы, не дать возникшему несогласию перерасти в полный разлад? Конечно, в процессе работы бывает и так, что кто-то из специалистов умерит свои аппетиты, кто-то уступит в первоначально категоричных требованиях, а кто-то сумеет обойтись собственными резервами, не превышая отведенного ему веса и габаритов. Однако не всегда такие споры кончаются добрым, взаимным согласием. Порой приходится вмешиваться главному конструктору и находить выход из неразрешимой на первый взгляд ситуации.
И вот, наконец, появляется на свет плод общих усилий — чертеж, именуемый компоновочной схемой. На нем изображены и внешний облик аппарата, и его внутреннее устройство. Можно увидеть, например, как хитроумно увязаны в одной конструкции требования радистов, электриков и аэродинамиков, которые не хотели даже слышать о гигантских антеннах и обширных солнечных батареях. Хитрость эта не так уж велика.
Когда мне приходится переезжать с места на место, я прячу свою пишущую машинку в футляр. Это помогает уберечь хрупкий механизм от дорожных превратностей. Точно так же поступают с космическим аппаратом. Его устанавливают на ракете-носителе в специальном футляре — головном обтекателе. Головной обтекатель — это прочный колпак, которому аэродинамики придали удобообтекаемую форму. Он предохраняет космический аппарат от разрушительного напора воздушного потока, когда ракета-носитель с огромной скоростью пронизывает атмосферу. Под обтекатель в сложенном виде упрятаны и антенны, и солнечные батареи. Только в безвоздушном пространстве, когда минует опасность, головной обтекатель раскрывается и отделяется от ракеты. Теперь он не нужен. Разворачиваются антенны, распрямляются крылья солнечных батарей, и космический аппарат принимает рабочий вид. Довольны аэродинамики, довольны и радисты с электриками.
Казалось бы, проектировщики нарушили основной принцип космического конструирования: любое усовершенствование должно вести к снижению, а не к увеличению веса космического аппарата. Поставленный ими головной обтекатель — это лишняя обуза для ракеты-носителя, добавочный вес. На самом же деле, все обстоит как раз наоборот. Принимая на себя тепловую и механическую нагрузку в плотных слоях атмосферы, защитный колпак позволяет разгрузить аппарат. Трудно даже представить себе, какие массивные потребовались бы антенны и панели солнечных батарей, какая прочность понадобилась бы для конструкции космического аппарата, если бы им самим пришлось противостоять ураганному воздушному потоку при разгоне ракеты. Наверняка такой усиленный аппарат оказался бы попросту неподъемным. Добавив вес головного обтекателя, конструкторы сэкономили куда больше.
«Деятельность конструктора можно смело сравнивать с трудом художника, — говорил советский академик Н. А. Доллежаль. — Если, например, в искусстве большую роль играют контрасты, то конструктор в своей работе всегда отыскивает противоречия и в анализе их находит наилучшее решение».
Эти слова в полной мере справедливы для космического конструктора.
Если почаще заглядывать в кабинет космического конструктора, то можно застать его за странным занятием. Конструктор играет в неизвестную игру, по-видимому, очень увлекательную. Об этом можно судить по заинтересованным лицам его коллег, вместе с ним углубленных в эту забаву. На столе разложена какая-то схема, и присутствующие передвигают по ней вырезанные из картона фигурки различных форм и размеров, скорее всего, фишки. Из разговоров можно понять, что выигрыш заключается в особо удачной расстановке этих фишек.
Игра продолжается с перерывами не одну неделю. Но однажды вместо схемы на столе появляется небольшой макет из картона, дерева или пластмассы. Теперь-то секрет раскрывается: не представляет труда узнать в макете будущий искусственный спутник. А фишки преображаются в миниатюрные копии его приборов и оборудования. Оказывается, все это время конструктор занимался важным и ответственным делом — компоновкой космического аппарата. Ему нужно было соединить металлические фермы в жесткий каркас, герметизированными оболочками разбить аппарат на изолированные отсеки, расположить внутри и снаружи отсеков бортовые системы, устройства и блоки. Разрозненные части конструкции должны слиться в единый организм, способный выполнить возложенную на него задачу. Так складывается внешний и внутренний облик спутника.
За каждым передвижением той или иной «фишки» стоят долгие мучительные поиски и сомнения, кропотливые расчеты на быстродействующих вычислительных машинах, горячие споры и дискуссии. Слишком многое зависит от того, где установит конструктор тот или иной крохотный приборчик, двигатель или топливный бак на своем игрушечном спутнике. Разумно размещая все устройства и системы, продуманно распределяя в объеме спутника их вес, он может уменьшить нагрузки как на конструкцию самого космического аппарата, так и на конструкцию ракеты-носителя. Не забывайте, ведь килограммы космического аппарата котируются по самой высокой цене в многоступенчатой ракете. Разгруженные же элементы и детали конструкции можно облегчить, сделать из более легкого материала и не столь массивными. «Игрушечные» дела ведут к нешуточной экономии веса.
Объем спутника ограничен, а хочется вместить в него побольше. Как собирающийся в дальнюю дорогу путешественник многократно перетряхивает и перекладывает свой чемодан, стараясь уложить в него все необходимое, так и конструктор не один раз возвращается к перепаковке спутника. Не легко добиться того, чтобы каждая деталь оборудования, каждый прибор нашли свое место.
Прежде всего нужно позаботиться о центровке космического аппарата: его центр тяжести должен занять заранее рассчитанное положение. От этого зависит правильная ориентация аппарата в полете. Задача эта столь важна, что ради ее решения не жалеют порой самого дорогого — веса. В космическом аппарате размещают специальный центровочный груз, балласт, единственное назначение которого — сместить центр тяжести в запланированную позицию. Но в полете расходуются запасенные на спутнике различные вещества — топливо для бортовых двигателей, жидкий или газовый теплоноситель и другие, — и центр тяжести меняет свое положение. Поэтому конструктор должен расставить сосуды с жидкостями и сжатым газом так, чтобы это смещение было как можно незначительнее.
Затем нужно проверить, не окажется ли чересчур сильной и опасной вибрация при запуске космического аппарата. Если расположение предметов в спутнике с этой точки зрения неудачно, приходится снова его перепаковывать.
Нельзя пройти мимо проблемы терморегулирования. Читатель по собственному опыту знает, как сильно зависит «климат» в помещении от местонахождения окон и тепловых радиаторов. В переполненном спутнике есть свои источники и поглотители тепла. Правильное их размещение — еще одна задача для конструктора.
Следует учесть также возможность замены некоторых блоков с приборами перед стартом. Поэтому ко всем важнейшим узлам и агрегатам космического аппарата должен быть удобный доступ. На первом американском космическом корабле «Меркурий» почти все оборудование было размещено в кабине пилота. Из-за малого ее объема старались экономно использовать даже небольшие участки свободного пространства. В результате каждая самостоятельная система была разнесена по частям в разные концы корабля, а элементы совершенно несвязанных систем оказались рядом и слоями располагались друг над другом вперемешку. Создалось невообразимое переплетение трубок, электрических проводов и механических соединений. Неудобство этого в полной мере почувствовали те, кто занимался проверкой и отладкой оборудования на Земле. Чтобы извлечь какую-нибудь вышедшую из строя деталь, приходилось демонтировать вместе с ней и другие блоки. После устранения неисправности, нужно было заново опробовать все приборы и аппараты, возвращавшиеся на свои места. Сколько работы прибавилось монтажникам и испытателям! Наученные горьким опытом, американские специалисты применили на следующем космическом корабле «Джемини» иной принцип компоновки. Все элементы одной системы были собраны в компактные блоки. Блоки эти установили таким образом, что любую систему можно было демонтировать, не затрагивая другие. Чтобы облегчить доступ к блокам, их крепили на наружной поверхности герметичной кабины. Внутри нее были оставлены лишь органы управления, показывающие приборы и система жизнеобеспечения космонавтов.
 Американский космический корабль «Джемини» с расположенными на внешней поверхности герметичной кабины блоками различных систем. |
Если позволяет объем спутника, конструктор обязательно позаботится о каком-то резерве внутреннего пространства. Это облегчает изготовление и сборку аппарата, контроль и обслуживание его на Земле. И вообще с запасом надежнее, даже если это запас пустоты.
Когда создавалась советская автоматическая межпланетная станция «Венера-12», произошел такой случай. Пришел в конструкторское бюро, где рождались «Венеры», один ученый и предложил новый прибор, который мог бы дать ценную информацию во время полета. Но аппарат уже скомпонован, и каждый грамм его веса на учете. Заманчиво предложение ученого, да где найти резервы для снижения веса? Сбросить надо, ни много и ни мало, целых шесть килограммов — столько весил прибор. Был в спускаемом аппарате «Венеры» центровочный груз. Подумали, подумали конструкторы и решили груз снять. Не просто пойти на это, так как спускаемый аппарат должен занимать строго определенное положение в пространстве. Пришлось пересмотреть всю его компоновку, провести дополнительные расчеты и испытания. И вот вместо бездейственного балласта на «Венере» был размещен сверх программы еще один активно живущий прибор. А это значит, что увеличился поток данных, передаваемых аппаратом из космического далека.
 Первый советский искусственный спутник «ПС-1» в разрезе. |
С приборами у творцов межпланетных станций и спутников вообще особые трудности.
На первом советском искусственном спутнике был установлен только один радиомаяк с небольшим количеством телеметрических датчиков. Но с каждым новым типом космических аппаратов росла сложность решаемых ими научных и прикладных задач, возрастал объем техники, уносимой на орбиты. На первом пилотируемом корабле «Восток» было смонтировано уже около 300 различных устройств, в которых работало 250 электронных ламп, 6 300 полупроводниковых элементов, 760 электромагнитных реле и переключателей. «Интеркосмос-17», запущенный в Советском Союзе 24 сентября 1977 года, открыл новую серию этих спутников, создаваемых учеными братских социалистических стран. Втрое увеличилось в них количество приборов и автоматически действующей аппаратуры, проводящих научные исследования и обеспечивающих связь с Землей. А на орбитальной станции «Салют» число различных систем, устройств и приборов превысило 2000. Одних только пультов управления там 20. Общая длина электрических проводов исчисляется сотнями километров, а вес всей аппаратуры — тоннами. Ведь станция используется как многоцелевая космическая лаборатория.
Конструктор заботится не только о том, чтобы втиснуть все необходимое научное оборудование в ограниченный объем спутника или станции. Он старается наилучшим образом разместить все приборы. По признанию самих специалистов, задача эта требует большого умственного напряжения. Без навыков пространственного комбинаторного мышления можно попросту утонуть в огромном количестве вариантов.
В первую очередь конструктор стремится к наибольшей плотности упаковки. Чем компактнее установлены приборы, тем меньше по размерам и легче приборный отсек. Но приборы питаются от бортовых источников тока и нередко связаны между собой. Поэтому нужно так продумать разводку электрических проводов и кабелей, чтобы, по возможности, укоротить и облегчить их. Достигается это правильной расстановкой приборов относительно штекеров. Если же вспомнить об удобстве монтажа, обслуживания и замены научного оборудования при наземных испытаниях, то планировку нужно привести в соответствие с расположением люков. При этом нельзя забывать о том, что рама и корпус отсека должны быть нагружены равномерно.
Конструктору приходится раскладывать довольно сложный «пасьянс», ведь приборов-то множество. Среди них есть и главные, требующие первоочередного внимания, есть и второстепенные, которые все равно как тасовать. Сначала отбираются приборы примерно одинаковой высоты. Они устанавливаются в отсеке отдельным слоем. Самый большой и тяжелый из них занимает центр слоя. Вокруг него симметрично раскладываются другие, не столь крупные и весомые. Самые маленькие и легкие приборы оттеснены к краям. Приборный отсек плотно заполняется такими ровными слоями. Меняя слои местами, можно перераспределять вес внутри отсека и выправлять центровку аппарата. Весьма удобно! Иначе пришлось бы компенсировать отклонение центра тяжести балластным грузом.
 Размещение научной аппаратуры и электронного оборудования в советской космической станции «Протон-4»: 1 — датчики магнитометров на штангах; 2 — панели солнечных батарей; 3 — научные приборы; 4 — корпус приборного контейнера; 5 — аппаратура автоматики и управления; 6 — контейнер с химическими батареями. |
Многие приборы капризны и привередливы. Не всегда укладываются они в заданную конструктивную схему. Некоторые из них претендуют на строго определенное место в космическом аппарате. Для других местоположение неважно, но они должны быть ориентированы в заданном направлении, как, например, телескопы, следящие за положением Солнца и планет на небесной сфере. Есть и такие, которых не заставишь стоять рядом друг с другом. У приборов появляется несовместимость, как у цветов, которые нельзя ставить вместе в одну вазу. Известно, например, что ландыши никак не уживаются с другими цветами. Такими ландышами среди космических приборов оказались магнитометры, измеряющие магнитные поля планет.
Чувствительность магнитометров поразительна. Они могут обнаружить магнитное поле в десятки миллионов раз слабее, чем на поверхности Земли. Конечно, приборы эти незамедлительно реагируют на материалы с магнитными примесями и на работу электрических схем, сопровождающуюся появлением вокруг них магнитного поля. По этой причине не могут магнитометры трудиться бок о бок со многими электронными приборами и требуют уединения. Не помогают даже специально принимаемые меры по обеспечению электромагнитной чистоты спутников: тщательно продуманная прокладка бортовых кабелей и монтажных проводов, экранировка приборов, уменьшение площадей контуров с током, «заземление» всех приборов на корпус. Но не предоставлять же целый отсек одному прибору! И решили конструкторы удалить неуживчивых из космического аппарата. Нет, они не отказались от намерения провести магнитные измерения в космосе. Просто магнитометры вынесли на длинных выдвижных штангах подальше от корпуса. Например, в западноевропейском искусственном спутнике «Геос» научные приборы размещены на восьми выдвижных штангах длиною от одного до двадцати метров.
 Магнитометрический спутник серии «Космос»: 1 — штанга с чувствительным элементом магнитометра; 2 — выдвижные антенны. |
Нельзя сказать, что конструкторы нашли наилучший выход. Раскрытие штанг, конечно же, сказывается на движении спутника. Он уподобляется фигуристу, который, разводя руки в стороны или прижимая их к телу, меняет скорость своего вращения. Приходится предусматривать на таких космических аппаратах дополнительные приспособления, гасящие вращения и колебания корпуса, возникающие при выдвижении штанг. В общей сложности вместе со штангами прибавляется свыше 5000 механических деталей. Их изготовлением и сборкой заняты несколько десятков человек. Вот чего стоят капризы некоторых приборов! И не обходится порой без неприятных неожиданностей.
На американском космическом аппарате «Вояджер-2» не полностью раскрылась в полете штанга, на которой были установлены две телевизионные камеры и научные приборы. Это привело к незапланированной переориентации космического аппарата. Пришлось выправлять изменившийся режим его полета. Чтобы провести задуманные исследования, нужно было как-то вывести штангу в рабочее положение. Для этого по командам с Земли резко закручивали аппарат, надеясь, что центробежные силы приведут в действие отказавший механизм. Встряхивали корпус, отстреливая заглушки оптических устройств. Но все безрезультатно. Опасаясь повторения неприятных сюрпризов, на запускаемом следом «Вояджере-1» поставили дополнительные пружины в механизме развертывания штанги.
Хорошо, если еще на Земле удается выявить все нежелательные взаимные влияния приборов. Так, при наземных испытаниях советской автоматической станции «Луна-16» неожиданно обнаружили, что прибор, измеряющий скорость спуска станции, дает неверные показания. Случись такое у поверхности Луны, не вовремя включился бы двигатель мягкой посадки, и при ударе о грунт станции был бы нанесен непоправимый ущерб. Как выяснилось, виновником неправильной работы измерителя скорости была наружная антенна. Пришлось оградить прибор от ее влияния.
Столько в космическом аппарате систем, приборов и устройств, состоящих из великого множества деталей и элементов, что так и просится ему имя — тысяча мелочей. Но по сути своей оно неверно: в каждом слове заключена ошибка. Во-первых, мелочей в аппарате не тысяча, а гораздо больше. В сегодняшних спутниках насчитывают многие сотни тысяч различных деталей. Во-вторых, никакие это не мелочи. С точки зрения конструктора, технолога и других специалистов, в космическом аппарате не найти ни одного пустяка, ни одной безделицы. Все устройства должны быть точно выверены и отлажены, все требуют тщательного исполнения и квалифицированной эксплуатации. Опыт показывает, что в технике неудачи чаще всего случаются именно из-за упущении в «мелочах». За примерами далеко ходить не надо.
В американской ракете-носителе «Редстоун» один из штепсельных разъемов случайно оказался на три миллиметра длиннее другого. В результате при отключении он запоздал на две сотые доли секунды. Пустяк! Но этот пустяк привел к аварии при запуске космического аппарата «Меркурий».
Такая же мелочь заставила поволноваться наших специалистов, следивших из Центра управления полетами за орбитальным пилотируемым комплексом «Салют-6» — «Союз-26». Когда космонавты, закончив работу в космосе, вошли в переходный отсек и закрыли внешний люк, оказалось, что клапан, через который стравливался воздух перед их выходом за пределы станции, остался открытым. Об этом сообщили на Землю приборы. Чтобы попасть в станцию, космонавты должны были заполнить переходный отсек воздухом, но этому мешал неисправный клапан. Складывалась аварийная ситуация. С Земли все же дали команду провести пробный пуск воздуха. И тут выяснилось, что он не уходит в космос и давление в отсеке возрастает. Виновником ложной тревоги был сместившийся разъем на кабеле, подходившем к датчику положения клапана. А ведь на станции «Салют-6» не одна тысяча таких датчиков, контролирующих состояние бортового оборудования.
Воображению конструктора тесно в замкнутом объеме космического аппарата. Нет-нет да и выплескивается конструкторская мысль за его пределы, как было, например, с выносными научными приборами. Только это не просто добавление новых деталей к старой конструкции, а уже новая конструкция. И заботы появляются новые и непривычные. Раньше был компактный космический аппарат, крепкий и надежный, не боящийся вибраций. А теперь в нем появились сложные механические крепления и соединения, снизившие надежность всего аппарата в целом. Помните, как неудачно получилось с американским «Вояджером»? И управлять таким аппаратом с далеко разнесенными массами, пусть даже небольшими, совсем не просто. Не было бы необходимости, не пошли бы конструкторы на столь хлопотное новшество.
 Американские спутники, снабженные системой гравитационной стабилизации. |
Но иногда многосаженный размах спутников как раз упрощает управление их полетом. На околоземной орбите удлиненный аппарат сам собою ориентируется вертикально, вдоль радиуса Земли. Ведь ближний конец его притягивается Землей сильнее, чем дальний. А значит, не нужна ему специальная система ориентации и стабилизации. Спутник превращается в своего рода ваньку-встаньку: никак не уложишь его набок. Только получается он чересчур уж долговязым. «Вверх» и «вниз» торчат из него две длиннющие штанги с тяжелыми шарами на концах. У американского спутника «Эксплорер-38» длина штанг составляла 165 метров. Как же справиться с таким нескладехой при запуске? Очень просто: сделать его складным. Или раздвижным. В раздвижных и разворачивающихся конструкциях совмещаются такие противоположные качества, как компактность и протяженность.
Однако длиною, линейным размером, не исчерпываются геометрические характеристики космического аппарата. Не менее важна его наружная поверхность — единственный орган «осязания» внешнего мира. Именно через свою поверхность с помощью специальных датчиков получают аппараты информацию извне о стремительных ливнях космических частиц, о плотности и составе межпланетного газа, о потоках метеоритов, бороздящих внеземное пространство, о спектре и интенсивности солнечного излучения. Чем больше площадь соприкосновения с окружающей воздушной средой, тем явственнее проявляется тормозящее действие верхних разреженных слоев атмосферы. Внушительный по площади спутник испытывает ощутимое давление солнечных лучей, которым интересуются ученые. Такой спутник легче обнаружить по отраженному солнечному свету или радиосигналу, посланному с Земли. Мощность солнечных электрических батарей пропорциональна площади, которую они покрывают. У космических аппаратов обычных размеров размещенные на корпусе полупроводниковые элементы могут выработать за счет излучения Солнца не более полукиловатта. Это давно уже не удовлетворяет энергетические потребности аппаратуры и оборудования спутников.
 Некоторые спутники удивительно похожи на диковинных насекомых, парящих в космическом пространстве. |
К сожалению, поверхность и вес космического аппарата явно не в ладах друг с другом. Ведь увеличивая его размеры, мы наращиваем не только поверхность, но и объем, то есть вес. Причем в еще большей степени: если поверхность тела пропорциональна квадрату его линейных размеров, то объем пропорционален кубу. Конструкторам то и дело приходится задумываться над тем, как расширить площадь своего изделия, не превышая отпущенного ему весового лимита. И вот запускают они в космос компактные «бутоны», распускающиеся в нужный момент причудливым «цветком». Как только космический аппарат минует плотные слои земной атмосферы, раскрываются и отваливаются лепестки головного обтекателя, отслужившего свою службу, а на орбите откидываются шарнирно присоединенные панели солнечных батарей, разворачиваются зонтики приемо-передающих антенн, расправляются плоскости метеоритных зондов, выдвигаются многометровые штанги с научными приборами. Конструктор использовал идею обыкновенного веера: при том же весе этот компактный предмет можно превратить в обширное опахало.
 Механизмы развертывания различных выносных элементов многократно опробываются на Земле. Например, складывающиеся панели солнечных батарей устанавливают для этого на роликовые опоры, которые свободно катятся по ровной поверхности. |
Подавляющее большинство создаваемых ныне космических аппаратов не могут обойтись без таких складных или выдвижных элементов. Торчащие усы стержневых антенн, далеко вынесенные устройства гравитационной стабилизации и крылья солнечных батарей придают им довольно необычный вид. Зато у конструкторов появилась некоторая свобода в обращении с площадями и размерами. Разве могли они раньше помышлять о двухсотметровых антеннах? А вот у американского радиоастрономического спутника «Эксплорер-38» целых четыре антенны, каждая из которых раздвигается до 229 метров. Раскрывающиеся, разворачивающиеся конструкции заполнили околоземное пространство.
Непрочность вееров — прототипов раздвижных конструкций — породила в свое время немало веселых анекдотов. Космическая техника еще слишком молода, чтобы войти в обиход повседневной шуткой. Да и не до шуток конструкторам: развертываемые и раскладываемые аппараты по своей прочности оставляют желать много лучшего. И вес их возрастает почти в полтора раза за счет добавочных механизмов и устройств. Однако творцы космических аппаратов не собираются отказываться от изобретенных ими «раскладушек». Наоборот, они уверены, что будущее именно за такими сооружениями, с разворачивающимися в пространстве частями. Например, для связи между кораблями на расстоянии в сотни тысяч километров потребуются антенны не меньше 200 метров диаметром. А поперечник солнечного паруса по сегодняшним проектам должен достигать километра и выше. Поэтому спрос на конструкции с увеличивающимися размерами и площадью не убывает со временем. Предлагают даже целые каркасы, которые раскладывались бы на орбите, словно зонтик, принимая заранее предусмотренную форму. Немало проблем уже решено с помощью дополнительно наращиваемой в полете площади, немало еще предстоит решить. Взять хотя бы терморегулирование космических аппаратов.
«Боится собственной тени» — так говорят о человеке, желая подчеркнуть его чрезмерную пугливость. То же самое можно сказать об искусственных спутниках Земли. И не без оснований. Если с того боку, с которого припекает Солнце, поверхность спутника нагревается чуть ли не до температуры кипения воды, то теневая его сторона охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Столь резкий перепад температуры грозит большими неприятностями. Их можно избежать, закрутив аппарат вокруг оси, как юлу, чтобы он равномерно прогревался солнечными лучами. Но никакая закрутка не спасет спутник от охлаждения в земной тени. Стоит ему укрыться за земным шаром от солнечного света, как сразу же он попадает в леденящие объятия космоса. Как тут не позаботиться заблаговременно об утеплении космического аппарата?
Особых затруднений это не вызывает. Выручит простой электрический обогреватель, установленный внутри корабля. Куда труднее справиться с перегревом. Окружающая спутник пустота надежно теплоизолирует его. Тепло, получаемое им от солнечных лучей, вырабатываемое энергетическими установками и электронным оборудованием, постепенно накапливается в замкнутом объеме аппарата. Даже тело человека становится заметным излучателем тепла. В такой ситуации любая случайность может добавить последнюю каплю в эту наполненную до краев чашу с тепловой энергией, которой уподобляется спутник.
 Гипотетический раскладной космический аппарат в рабочем положении и в сложенном виде. |
Так произошло, например, на американском космическом аппарате «Маринер-10». Короткое замыкание превратило электрическую цепь питания приборов в своеобразный нагреватель. Хоть и невелико было выделение энергии — как будто включили 75-ваттную электрическую лампочку, — температура внутри отсеков подскочила до 43 градусов. А для нормальной работы аппаратуры ей следовало быть на 20 градусов ниже. Электронные приборы и устройства очень чувствительны к температурному режиму в космических аппаратах. Как перегрев, так и переохлаждение немедленно сказываются на их работоспособности и могут даже вывести их из строя. Конструкторы, конечно, делают все, чтобы избежать подобных неприятностей. Еще при компоновке космического аппарата они стараются отделить и изолировать нагревающиеся узлы и агрегаты от остального оборудования. Если можно, тепловыделяющие устройства устанавливают снаружи корпуса, на теневой его стороне. Когда это не помогает, принимают другие меры для отвода тепла из объема аппарата.
Видели вы, как в жаркий полдень собака высовывает язык? Она предохраняет себя от перегрева, сбрасывает избыток тепла. Что-то вроде этого придумали конструкторы. Космический аппарат отдает тепловую энергию в окружающее пространство в виде излучения. Чтобы повысить количество излучаемого тепла и создать нормальный «климат» внутри перегретого аппарата, нужно увеличить его наружную излучающую поверхность. Все тот же вопрос о дополнительной площади! Так пусть космический аппарат, подобно собаке, выпускает «язык»-излучатель, когда становится слишком жарко. Излучатель будет вытягивать из внутреннего объема избыточное тепло и рассеивать его в окружающем пространстве. Только как реализовать этот принцип на деле?
Конструкторы вспомнили свои детские забавы с игрушкой, называемой «язык». Дунешь в нее, и «язык» этот вытягивается во всю длину. Игрушка подсказала техническую идею излучателя. Многометровая панель, пронизанная эластичными трубками, по которым струится теплоноситель, навернута на барабан. Пока внутри космического аппарата сохраняется запланированный тепловой режим, излучатель бездействует. Но если температура начинает повышаться, в трубки накачивается газ-теплоноситель, и «язык», вытягиваясь, разматывается с барабана. В качестве теплоносителя можно использовать газ фреон, применяемый в домашних холодильниках. Он должен передавать тепло от внутренних частей космического аппарата к излучающей поверхности.
 Космические аппараты с разворачивающимися теплоизлучателями «язык» и «пружина» 1 — в сложенном виде; 2 — в рабочем положении. |
А вот еще один теплоизлучатель, напоминающий другую детскую игрушку. Кому не знаком уморительный чертик, выскакивающий на пружине из коробки, как только поднимут крышку? Точно так же распрямляется излучатель, упрятанный в корпус космического аппарата. Сделан он в форме огромной витой пружины из упругих металлических трубок. Когда при повышении температуры внутри аппарата накачивается в трубки теплоноситель, упругая сила пружины возрастает во много раз. В результате излучатель растягивается, удлиняется, и поверхность его увеличивается до сорока квадратных метров.
Танковая броня рассчитана на пробивную силу орудийных снарядов. Толщина и крепость ее выбираются так, чтобы она противостояла известному или предполагаемому оружию противника. Избыточный вес боевой машине ни к чему.
При проектировании космического аппарата приходится учитывать сразу многие виды поражающего «оружия», к которым относят все неблагоприятные факторы космического полета. Поэтому «броня» его — это не только многослойная обшивка корпуса, противометеоритные экраны и радиационная защита, но и теплозащитное устройство, несущий каркас и даже запасы топлива. Их «крепость» должна быть под стать пробивной силе «оружия»: величине перегрузок, напору воздушного потока и интенсивности аэродинамического нагрева при спуске в атмосфере, скорости и массе метеоритов, проникающей способности космических лучей и многому другому. Все это нужно знать заранее, чтобы обеспечить безопасность полета космического аппарата. Но не обладают конструкторы абсолютным пророческим даром, не могут совершенно точно предвидеть атакующий натиск враждебных стихий. Знание у них сугубо вероятностное.
Взять хотя бы механические нагрузки на аппарат. Еще задолго до полета пытаются их определить с помощью баллистических и аэродинамических расчетов, продувок моделей в аэродинамической трубе, испытаний конструкции на центрифугах и так далее. И надо сказать, что довольно успешно. Но как бы ни были тщательны эти вычисления и эксперименты, приблизительность результатов неизбежна. К тому же всегда возникает вполне обоснованное сомнение: насколько правильно представляют себе испытатели условия предстоящего полета? Все ли учли при его воспроизведении? Так вкрадывается неопределенность в саму постановку задачи: на какие нагрузки готовить конструкцию космического аппарата? От решения этого вопроса зависят ее прочность и вес. Неточное знание исходных данных вынуждает завышать коэффициент безопасности, то есть подстраховываться. Не могут конструкторы полагаться на авось, на благоприятное стечение обстоятельств. Приходится предусматривать запас прочности на случай возможных осложнений.
Например, для несущих топливных баков ракеты, боковые поверхности которых служат стенками корпуса, выбирают сразу два коэффициента безопасности. Для внутреннего давления этот коэффициент берут минимальным — давление в баках выдерживается достаточно хорошо. Каких-либо неприятностей ожидать не приходится, ни к чему поэтому большой запас прочности. А вот для внешних сил принимают по возможности максимальный коэффициент безопасности. Ситуация здесь не столь ясна и сведения не столь достоверны.
Почти каждую деталь конструкции космического корабля проектируют с учетом тех условий, в которых ей предстоит работать. Поэтому надежное прогнозирование всех обстоятельств будущего полета — это еще один рубеж борьбы за вес.
Не всегда ученые задумываются над тем, что, уточняя какой-то десятичный знак в величине межпланетного расстояния, массы или диаметра планеты, они тем самым сбрасывают десятки, сотни, а то и тысячи килограммов веса завтрашних межпланетных кораблей и ракет-носителей. Проводя свои скрупулезные измерения, астрономы невольно включаются в конструкторскую работу. Ведь публикуемые ими таблицы с нескончаемыми колонками многозначных цифр становятся отправным пунктом для проектов космических экспедиций, для выбора варианта полета и типа конструкции.
Описывая движения планет, астрономы используют в качестве единицы длины среднее расстояние от Земли до Солнца, которое так и называют астрономической единицей. Уже много лет назад ученые научились довольно точно рассчитывать в астрономических единицах межпланетные расстояния в любой момент времени. Но сама астрономическая единица была известна с ошибкой 50-70 тысяч километров. Можно ли надеяться на успешное попадание автоматической межпланетной станции в намеченную планету, если местонахождение цели указано с такой высокой погрешностью? Нужны были новые, более точные астрономические данные. Радиолокационные измерения расстояний в Солнечной системе позволили к 1965 году почти в тысячу раз уменьшить ошибку в величине астрономической единицы. А это значит, что резко сократилось число коррекций полета автоматических станций, которые предстояло провести. Конструкторы могли теперь обойтись вполне приемлемыми запасами топлива на борту межпланетных аппаратов. Сейчас значение астрономической единицы известно уже с точностью в несколько километров!
Немалую экономию веса дает также уточнение радиолокационными методами радиусов планет.
Скажем, планируется посадка на поверхность нашего естественного спутника. При подлете к Луне положение космического аппарата отсчитывается от ее центра, принимаемого за центр притяжения. Неточное знание величины радиуса Луны — расстояния от ее центра до точки посадки — оборачивается избыточной мощностью двигателя мягкой посадки, проектируемого на наихудший вариант. Космический аппарат обременяют запасами топлива, которые ему могут не понадобиться.
Даже неопределенность размеров бугров, камней и впадин на посадочной площадке может ввести конструкторов в излишний весовой расход. Чтобы не опрокинулись посадочные отсеки автоматических станций, исследующих другие планеты, к ним приделывают длинные ноги. А как выбрать их длину, если на эту посадочную площадку не ступала еще ничья нога? Характерная особенность сегодняшних межпланетных полетов в том и состоит, что аппараты направляются в такие места, где никто не бывал. Вероятность же успеха, вероятность выполнения поставленной задачи нужна очень высокая: для пилотируемого космического корабля — не ниже 95 процентов. Степень безопасности экипажа, вероятность того, что даже при неблагоприятных обстоятельствах космонавты в целости и сохранности вернутся на Землю, еще выше — 99,9 процента. Эти цифры не говорят о степени действительного риска. Они лишь свидетельствуют о крайней предусмотрительности конструкторов, которые после тщательного анализа всех известных или предполагаемых ситуаций планируют высокую надежность своего изделия, то есть не скупятся на значительные резервы. Сократить эту заранее планируемую избыточность можно, лишь уточнив условия предстоящего полета.
Еще 15 лет назад специалисты подсчитали, что более надежные данные об атмосфере Марса позволят облегчить конструкцию и систему торможения межпланетного корабля, за счет чего втрое увеличится вес его научной аппаратуры. За незнание приходится расплачиваться весом полезного груза, а в конечном итоге — эффективностью космической экспедиции. Вот почему отправляются к другим планетам автоматические зонды-разведчики. Передаваемая ими на Землю научная информация представляет для конструктора непосредственно практическую ценность.
Когда советские конструкторы разрабатывали первые автоматические станции для исследования Венеры, они лишь приблизительно представляли себе условия на этой планете. По одним гипотезам атмосферное давление на ее поверхности мало отличалось от земного, по другим — оно было в сто раз выше. Диапазон предполагаемых температур тоже был довольно широк — от 50 до 500 градусов. Но рассчитывать космический аппарат сразу для самого худшего варианта, достоверность которого ничем еще не подтверждена, заведомо невыгодно. Мощная «броня» станции поглотит большую часть веса, а научное оснащение будет совсем недостаточным. В результате весьма скудной окажется информация об условиях, царящих в венерианской атмосфере. Поэтому первые аппараты делались не очень прочными. Тем не менее они успевали передать ценнейшие сведения.
«Венера-4» не дошла до поверхности планеты немногим более 20 километров. Аппарат был рассчитан на давление в несколько атмосфер и разрушился при 20 атмосферах. Зато полная неопределенность уступила место данным, заслуживающим доверия. На основе информации, сообщенной «Венерой-4» и «Венерой-5», спускаемые аппараты следующих автоматических станций рассчитывались уже на давление 100 атмосфер и температуру 500 градусов. И вот в декабре 1970 года посадочный отсек «Венеры-7» опустился на раскаленную поверхность планеты. Проведенные им измерения позволили, в свою очередь, уменьшить прочность спускаемого аппарата следующей станции «Венера-8». Сэкономив в весе конструкции, ее создатели установили на аппарате дополнительные научные приборы.
Было бы несправедливо пенять лишь на неизвестность условий космического полета. Сам аппарат для конструкторов тоже в какой-то степени загадка. Да, они его задумали, спроектировали, рассчитали и вычертили. А вот что вышло из заводских цехов — этого они с полной определенностью не знают. Не бывает и не может быть абсолютно точного исполнения. На этот счет конструкторы не обольщаются. У любого изделия всегда будут отклонения от изображенного на бумаге прототипа. С этой точки зрения спроектированный конструкторами космический аппарат — всего лишь идеал, который никогда не удастся реализовать. Воплощенная в металле конструкция будет несколько иной по весу, по форме, по размерам, по прочности и по многим другим характеристикам. Вопрос в том, насколько задуманное отличается от изготовленного? При правильно организованном производстве расхождения эти невелики, в пределах допустимого. Но не считаться с ними нельзя.
Что-то слишком много непредвиденного и непредсказуемого собралось в космическом проекте. Не потому ли конструирование считают своего рода искусством? Англичане говорят, что инженер — это человек, который при недостаточных данных правильно решает вопрос в семи случаях из десяти. Можно спорить о проценте удачных решений, но несомненно одно: конструктор должен уметь силою своего воображения справляться не только с известными ему препятствиями, но и с еще неведомыми.
Хорошо бы найти такое универсальное средство, которое позволит разделаться со многими неопределенностями сразу! Конструкторы нашли. На борту космического аппарата создают резервный запас топлива. Если вдруг аппарат не достигнет запланированной скорости или уйдет с намеченной орбиты, резервное топливо поможет выправить его полет. Всякие случайные промахи, сбои в работе двигателей, непредугаданные внешние возмущения и другие неблагоприятные события тоже компенсируются с помощью этого резерва. А как же быть с недочетами производственников, с неточно выполненным конструкторским заказом? И это поправимо, если есть избыток топлива сверх рассчетной нормы. Скажем, тяга двигателя чуть-чуть не совпадает с заданной величиной, аэродинамические характеристики конструкции немного отличаются от задуманных проектировщиками. Что ж, включив дополнительно бортовой двигатель нужное число раз, можно справиться с теми искажениями, которые вносят в режим полета погрешности изготовления. Не страшны даже ошибки приборов в системе управления, если можно провести внеплановую коррекцию. Но плата за столь высокую надежность все та же — добавочный вес космического аппарата.
Любая неожиданность в космическом полете неприятна. Но наиболее опасна она в моменты, когда ресурсы космического корабля уже на исходе. В первую очередь это относится к сложной и ответственной операции приземления.
Спускаемый аппарат космического корабля вторгается в атмосферу с огромной скоростью — несколько километров в секунду. Чтобы полностью погасить эту скорость с помощью тормозного ракетного двигателя, потребовались бы запасы топлива, в десятки раз тяжелее самого аппарата. Поэтому все надежды возлагают на силу сопротивления воздушных слоев. Если форма спускаемого аппарата выбрана правильно, то скорость его падает в плотных слоях атмосферы до 100— 150 метров в секунду. Но все же это еще очень большая скорость, а для мягкой посадки она не должна превышать 3-4 метров в секунду. Приходится на высоте 8-10 километров вводить в действие новое средство торможения — парашют.
А если парашют отказал? Ведь такой случай не исключен, а на каждый предугадываемый случай что-то должно быть предусмотрено. Для подобной аварийной ситуации припасен резервный парашют. Конечно, это дополнительный вес, зато повышается надежность посадки. Ведь речь идет о космонавтах!
Парашют уменьшает скорость спуска, но все еще не до безопасной величины. Примерно в метре от поверхности земли включается ракетный двигатель, гасящий остаток скорости.
Ну, а если не сработает двигатель? Конструкторы не стесняются задавать самим себе такие вопросы. Уж лучше найти на них ответ заранее. Ответ, к сожалению, неутешительный: удар получится очень сильным и перегрузки достигнут опасной величины. Как если бы спускаемый аппарат без всяких предохранительных мер сбросили с многоэтажного здания.
Вспоминается удивительный случай, рассказанный много лет назад парижскими газетами. Какой-то неудачник свалился с Эйфелевой башни... но остался жив. Отделался сравнительно легко, потому что упал на крышу автомобиля, проломил ее и рухнул на мягкое сиденье. Энергию падения он израсходовал на разрушение крыши, а сиденье смягчило удар. Специалисты по посадочным устройствам космического корабля, хоть и не падали сами с Эйфелевой башни и, наверное, даже не слышали о таком случае, все же догадались, как им поступить.
Вот по каким-то причинам не сработал у земли ракетный двигатель. Считанные мгновения остаются до сильнейшего удара о грунт. Нужно как-то укротить еще достаточно большую энергию падения. «Незачем укрощать, — решили конструкторы, — пусть себе разрушает». И подставили под удар вместо корпуса спускаемого аппарата своего рода «автомобиль». Слепая разрушительная сила, не замечая подмены, обрушивается на подставное устройство — ломает, рвет, сминает и... обессиливает, утрачивает свою мощь. Конструкторам же только этого и надо. Они добились своего — направили энергию удара по другому пути, принеся в жертву специально разработанное ими приспособление.
Так появилась в космическом корабле довольно своеобразная конструкция, ничем не похожая на другие. Единственное ее назначение — сломаться при сильном ударе и тем самым спасти спускаемый аппарат и космонавтов. Идея, в общем, далеко не новая. Таких «жертвенных» устройств немало можно встретить в технике. Взять хотя бы плавкие предохранители, «ценою своей жизни» спасающие электрические приборы. Главное — это найти подходящий «автомобиль», который можно было бы использовать как посадочное устройство. Совсем не все равно, что и как ломать. Энергоемкость различных процессов разрушения не одинакова. А ведь нужно не только поглощать энергию удара, но и амортизировать, то есть сочетать крышу подставного «автомобиля» с сиденьем.
И специалисты по посадочным устройствам занялись предосудительной на первый взгляд деятельностью. Ломают все, что только под руку подвернется. Ломают со знанием дела и с великим тщанием, не забывая замерить механические характеристики процесса разрушения. Сминают изделия из металлической фольги, прессуют ударом всякие пеноматериалы, с силою бьют по кускам бальзового дерева. Все время пополняется список намечаемых ими «жертв».
Те, кому приходилось накачивать велосипедные камеры, знают, что сжимаемый поршнем насоса воздух оказывает противодействие нашим усилиям. Силу его сопротивления можно противопоставить силе удара спускаемого аппарата о грунт. Тогда цилиндр с поршнем, под которым сдавливается воздух, станет пневматическим амортизатором. Ничего в нем не ломается и не разрушается. Но если заменить воздух в цилиндре сотовым заполнителем из металлической фольги, то при движении поршня сдавливаемые соты будут сжиматься и разрушаться, поглощая энергию. Такие устройства установлены под креслами космонавтов на американском космическом корабле «Аполлон». Устройства надежны, практичны, весят совсем немного. Правда, сломанное однажды повторно уже не сломаешь. Поэтому посадочные амортизаторы космических кораблей рассчитаны лишь на одну посадку.
Амортизацией кресел космонавтов дело не ограничивается — предохраняется и корпус спускаемого аппарата. Например, посадочный отсек корабля «Аполлон» был облеплен снизу металлическими сотами. А первый американский космический корабль «Меркурий» садился на специальную надувную подушку, прикрепленную к его днищу. И это несмотря на то, что кресло космонавта в нем покоилось на металлических сотах, разрушавшихся при ударе о землю. Так моделируют конструкторы спасительное сочетание сиденья и крыши «автомобиля».
Пневматическую амортизацию предусмотрели на некоторых советских автоматических станциях «Луна», совершавших мягкую посадку на поверхность нашего естественного спутника. За несколько десятков секунд до соприкосновения с лунным грунтом амортизационная система, кольцом окружавшая станцию, надувалась газом под давлением. Аппарат оказывался зажатым, спрятанным в надувной оболочке. Словно обложенный со всех сторон мягкими подушками, он уже не боялся столкновения с лунной твердью.
 Советский космический корабль «Союз»: 1 — орбитальный отсек с антеннами (а), телекамерами (б), оптическими устройствами и датчиками научных приборов; 2 — спускаемый аппарат; 3 — приборно-агрегатный отсек с двигателями причаливания и ориентации (а), сближающе-корректирующим двигателем (б) и панелями солнечных батарей (в). |
Лишь в самые последние мгновения космического полета срабатывает амортизационное посадочное устройство, когда толчок о поверхность планеты возвещает конец долгого пути сквозь внеземные пространства. А до этого момента «жертвенная» конструкция покоится на корабле никчемным грузом, отягощая его и занимая место. Но приходится мириться с таким балластом. Никто не знает заранее, что ждет спускаемый аппарат на самом финише, с какой скоростью упадет он на грунт. Незнание снова оборачивается добавочным весом, да еще таким, от которого никак не избавишься.
Между тем в космическом полете неукоснительно следуют правилу: не медля, расставаться со всем, что больше не понадобится. Это — еще одна заповедь, которой руководствуется космический конструктор, обдумывая облик пилотируемого корабля и распределяя в нем оборудование и приборы. Родилась она, как и другие заповеди, в непосредственной борьбе за снижение веса.
Казалось бы, раз уж попал какой-то груз на орбиту, то не имеет значения, когда космический аппарат от него освободится — сразу или какое-то время спустя. Ракета-носитель в полной мере испытала его тяжесть и израсходовала все топливо, предназначенное для запуска. Назад ничего не вернешь и ничего уже не сэкономишь. Беспокоиться же о весе на орбите не имеет смысла — в невесомости такого понятия просто не существует. Так почему конструкторы неумолимы в своем требовании: все лишнее — за борт?
| Амортизационные посадочные устройства спускаемых аппаратов американских космических кораблей «Аполлон» и «Меркурий»: 1 — цилиндры с поршнями и сотовым заполнителем, на которые опираются кресла космонавтов; 2 — алюминиевые соты на днище спускаемого аппарата; 3 — металлические соты под креслом космонавта; 4 — надувной баллон из стеклоткани под днищем спускаемого аппарата. |
Ни для кого не секрет, что управлять пустым автомобилем куда легче, чем нагруженным. И бензина при этом сгорает меньше. Разгружаясь и становясь более подвижным, космический корабль тоже сокращает расход топлива на различные маневры, без которых никак не обойтись. Поэтому космонавты не упускают возможности отправить за борт отработавшее оборудование, отстыковать от корабля какую-то его часть, ставшую ненужной. Делают они это по плану, составленному заранее, еще на Земле. Там уже подсчитали, насколько можно недогрузить корабль топливом за счет своевременной его очистки на орбите, и не преминули этим воспользоваться. А поскольку на каждый килограмм веса космического корабля — будь это топливо или конструкция, все равно — приходятся многие килограммы горючего и окислителя в ракете-носителе, то получили немалую весовую экономию.
|
Хоть и невесомы предметы в тот момент, когда от них избавляются на орбите, выигрыш они дают весьма полноценный. Особенно если это предшествует конечному этапу полета — приземлению. Ведь предстоит самый большой и трудоемкий маневр: нужно погасить до нуля громадную космическую скорость. Тут уж мелочами не обойдешься — стараются отделаться от всего, что только позволяет планировка корабля. Конструкторы стыкуют его отсеки таким образом, чтобы перед спуском в атмосфере он мог отбросить всю ненужную конструкцию.
В советском космическом корабле «Союз» спускаемым аппаратом становится кабина экипажа. Прежде чем устремиться вниз, она отсоединяется от двух других отсеков — орбитального и приборно-агрегатного. От почти семитонного корабля остаются 2,8 тонны. Зато резко сокращается потребность тормозного двигателя в топливе и уменьшается тормозной парашют. Выигрыш в весе получается немалый. И не только за счет устройств торможения.
Кабину экипажа начиняют лишь самым необходимым оборудованием. Двигатели причаливания, коррекции и ориентации, топливные баки для них, панели солнечных батарей, аппаратуру и приборы, работающие до этапа посадки и не нужные на участке спуска, — все это и многое другое размещают в двух отбрасываемых отсеках. Вот тут-то и выявился еще один весовой резерв. Поскольку приборы не очень чувствительны к космическому излучению, то ни к чему им тяжелая радиационная защита. Ее можно оставить на кабине экипажа, не более. Мало того, отсеки, не участвующие в спуске, не нуждаются в специальной тепловой защите от аэродинамического нагрева. Достаточно предусмотреть ее на спускаемом аппарате, то есть опять-таки на кабине экипажа. «Броня» космического корабля значительно полегчала.
Если мы сопоставим полную массу ракетно-космической системы, которая стартует с Земли, с массой аппарата, возвращающегося обратно, то получим отношение примерно сто к одному. По-разному можно воспринимать эту впечатляющую пропорцию. Не исключено, что кто-нибудь посетует, как много, мол, приходится терять и расходовать на протяжении всего пути — от запуска и до посадки. Но справедливее было бы отдать должное предусмотрительности космического конструктора, в утилитарном хозяйстве которого не бывает зряшных потерь или неоправданных расходов. Ведь, как мы убедились, расстаться вовремя с ненужным — это тоже приобретение.
опробуем мысленно препарировать космическую ракету, пользуясь теми сведениями, которые мы почерпнули из предыдущих глав. Не нужно большого воображения, чтобы представить себе ракету распавшейся на отдельные ступени. Каждая ступень, в свою очередь, состоит из двигателя, баков для горючего и окислителя, обслуживающего их оборудования и переходных частей, скрепляющих эту ступень с соседними. Продолжим членение ракеты, вонзая свой «скальпель» в отдельные элементы ступеней...
Но тут самое время нам остановиться. Мы находимся на краю владений конструктора. Дальше простирается зона двоевластия. Конструктор не может и не вправе единогласно решать, какой должна быть структура более мелких частей ракеты, ибо она в значительной мере зависит от способов их изготовления. Не хватает еще одного участника этого показательного эксперимента — технолога. Где предел дробления ракеты? Эта проблема лежит на смежной территории между конструкторским бюро и заводским цехом. Именно вопрос о тех неделимых «атомах», из которых складывается космическая конструкция, стал точкой соприкосновения конструктора и технолога. Он же — причина их самых серьезных разногласий. У каждого на этот счет свои взгляды и соображения.
Опыт показывает, что любая сложная конструкция, состоящая из отдельных частей, тем легче, чем меньше число этих частей. Всякого рода разъемы и соединения понижают прочность конструкции. Чтобы компенсировать их ослабляющее действие, приходится утолщать некоторые элементы или же ставить укрепляющие детали и подпорки. Такое утяжеление никак не устраивает конструктора. Стремясь уменьшить вес своего изделия, он кроит ракету на куски покрупнее, сокращает до минимума число разъемов, стыков и соединений. В идеале видятся ему целиковые монолитные части ракеты, в которых слились воедино все более мелкие детали.
Но слышатся возражения со стороны технолога. Совсем непросто изготовить монолитную деталь. Хоть и легче она, чем клепано-сборная, но значительно дороже. Оправдает ли весовой выигрыш усложнение и удорожание технологии? Не лучше ли перекроить ракетные ступени заново, да помельче? Конструктор продолжает настаивать на том, что ракета должна быть сделана из крупногабаритных панелей и листов. И надо сказать, что в современной авиационной и космической технике идут навстречу этому требованию. По мере возможности клепано-сборные изделия заменяют монолитными.
Не будем обвинять конструктора в профессиональном эгоизме. Он, конечно, понимает, что при прочих равных условиях целесообразнее та конструкция, изготовление которой требует наименьших затрат труда и материалов, минимальных расходов на оборудование. Поэтому, прикидывая форму и размеры какой-либо части ракеты, конструктор старается вообразить себе, как ее будут строгать, фрезеровать, сверлить, полировать и собирать. «Конструктору надо мыслить технологическими процессами», — говорил генеральный конструктор по авиационной технике О. К. Антонов. Но к сожалению, такова уж особенность космической техники: отношения между различными специалистами здесь чаще всего конфликтные.
 Клепано-сборные рама (а) и панель (б); монолитные рама (в) и панель (г), изготовленные горячей штамповкой или фрезерованием. |
Стремление космического конструктора всемерно облегчать свое изделие идет вразрез с намерениями технолога, который хотел бы упростить и удешевить производство. Снижать вес конструкции — значит, изыскивать в ней и удалять как можно больше излишней массы. Чем успешнее это делается, тем меньше весит готовое изделие. Приходится очень тщательно обрабатывать все элементы конструкции, снимать с них тончайшие слои металла, вырезать ненужный материал из толщи, из таких мест, куда не подступишься с резцом или фрезой. Одним словом, затрачивается много труда и средств на изготовление даже простых деталей. Где уж тут упрощать и удешевлять технологию? Когда технологи имеют дело с ракетой или космическим аппаратом, им нечем поступиться, негде ослабить свои усилия. Суровый конструкторский заказ не оставляет для этого никаких шансов. И все же производственники не отказались от своих стремлений. Нашли они способ, как совместить собственные интересы с противоречащими им требованиями конструкторских бюро. Подсказали его... сами конструкторы.
С каждым новым космическим аппаратом растет число удачных конструкторских решений, накапливается опыт конструкторов. Со временем они начинают уже заимствовать кое-что у самих себя. В прошлых своих творениях находят конструкторы полезные примеры для подражания: в разных аппаратах устанавливают порой одни и те же узлы и блоки, хорошо зарекомендовавшие себя при прежних запусках. А там, где конструктор копирует свои былые решения, технолог тоже может идти по своим следам. Раз что-то уже изготовлялось им раньше, значит, подходит отлаженная уже оснастка, годятся отработанные уже процессы. И вот космические аппараты становятся похожими друг на друга не только конструктивно, но и технологически. Их можно тиражировать.
Помните, как резко отличались друг от друга первые спутники? Их легко узнавали на рисунках и фотографиях — настолько они были индивидуальны. Но хорошо известно, что изделия, изготавливаемые каждый раз по индивидуальному заказу, обходятся слишком дорого. Поэтому, когда появилась возможность тиражировать что-то наиболее удачное и целесообразное в космической конструкции, технологи не преминули воспользоваться ею. Это позволяло им перейти от единичного производства космических аппаратов к более дешевому полусерийному и даже к серийному.
В первую очередь решили добиться единообразия обслуживающих систем. Ведь в каждой космической конструкции найдутся отдельные элементы и целые узлы, повторяющиеся во многих других конструкциях: пиропатроны, соединительные и крепежные детали, замки, трубопроводы, клапаны и так далее. Их можно сделать стандартными, одинаковыми для всех ракет и аппаратов.
Такими же стандартными могут быть некоторые научные приборы и измерительные устройства. Конструкторы разработали единый малогабаритный комплекс служебных систем и приборов для исследовательских спутников самого различного назначения. Так началась общая унификация спутников, охватившая их систему управления бортовой аппаратурой, приемо-передающие устройства, систему энергопитания, конструкцию и даже оболочку. Спутник был поставлен на поток. Сейчас мы хорошо знаем эти советские спутники серии «Космос», число которых давно уже перевалило за тысячу.
Неплохо бы унифицировать и материалы, из которых изготавливают космические аппараты. Вопрос о выборе материалов стал еще одной точкой соприкосновения конструктора и технолога.
Рассказывают, что однажды знаменитого американского изобретателя Эдисона спросили о том, как он подбирает себе сотрудников. «Я их предварительно экзаменую, — ответил Эдисон. — Они должны знать, например, удельный вес тория. Назвать химический состав стали определенной марки. Уметь ответить на многие другие вопросы». Если бы Эдисону пришлось иметь дело с космическим конструктором и технологом, то можно не сомневаться, что он остался бы доволен такими помощниками. Ведь они демонстрируют в своей деятельности доскональное знание свойств материалов, и самых распространенных и чрезвычайно редких. Необычайное разнообразие условий, в которых работает космическая конструкция, — глубокий вакуум и высокое давление сжатых газов в баллонах, нагрев до многих тысяч градусов при вхождении в атмосферу и низкая температура в баках с жидким кислородом, всепроникающая космическая радиация и потоки метеоритов, — вынуждает конструкторов к несравнимо более широкому охвату материалов, чем это было необходимо изобретателю времен Эдисона.
| Унифицированные советские спутники серии «Космос»: 1 — спутник с молекулярным генератором на борту и с солнечными батареями; 2 — спутник, предназначенный для изучения потоков частиц в околоземном пространстве; 3 — спутник для изучения ионосферы; 4 — спутник для изучения физико-химических параметров верхней атмосферы; 5 — спутник с системой ориентации на Солнце. |
Ученые насчитывают сейчас около 2,5 миллиона органических и неорганических соединений и почти 1,5 миллиона различных материалов. Ежегодно поступают сведения о тысячах новых веществ, рождающихся в лабораториях всего мира. Обращаясь к этому необозримому перечню, конструктор должен ясно представлять себе, как тот или иной материал поведет себя в космосе. Иначе не избежать неприятных сюрпризов. Один из создателей советских автоматических станций «Венера» рассказывал, что после испытаний спускаемого аппарата в камере, воспроизводящей венерианскую атмосферу, исчез важный научный прибор. Как будто его и не было! Причину нашли не сразу. Оказалось, что сочетание некоторых материалов в среде, подобной венерианской, дало столь поразительный эффект.
Химическую совместимость материалов с другими веществами, их коррозионную стойкость, степень сложности обработки, пластичность и отражательную способность — все это и еще многое другое берут на заметку конструктор и технолог. Но в первую очередь их интересуют удельный вес и прочность различных металлов и неметаллов. От этих характеристик зависит вес создаваемой ракеты. Ведь чем меньше материала в ее конструкции, тем она легче. В то же время прочность и жесткость массивной конструкции выше. Значит, материал должен весить как можно меньше и быть как можно прочнее. Далеко не новая проблема. Самолетостроители давно уже заняты подбором таких материалов. У них-то и позаимствовали ракетостроители большую часть металлов и сплавов.
На долю алюминия — первого «летающего металла» — приходится порой до пятидесяти процентов веса конструкции ракеты. Из алюминиевых сплавов сделаны корпуса кабины экипажа и приборно-агрегатного отсека советского космического корабля «Союз». Широкое распространение получили также магниевые сплавы, из которых изготавливают обшивку корпусов, топливные баки, баллоны для сжатого газа, стабилизаторы и другие части ракет. Нашлось им применение и в конструкциях космических аппаратов. Так, например, орбитальный отсек корабля «Союз» сделан из магниевых сплавов. Каркас девятикилограммовых американских спутников «Авангард» сооружен из магниевых труб. А в спутнике «Дискаверер» использовано почти 270 килограммов магниевых сплавов, составляющих свыше трети его веса.
Но основным космическим материалом следует, видимо, считать титан. Хоть он и тяжелее алюминия на 60 процентов, зато превосходит его по прочности в шесть раз и в два с лишним раза более тугоплавок. Поразительна его высокая химическая стойкость — не хуже, чем у нержавеющей стали. Для технологов главное то, что титан хорошо поддается любой обработке: его можно резать, сваривать, деформировать под давлением, отливать в формы. Конструкторы же отмечают другое немаловажное качество этого металла: он в 15 раз хуже проводит тепло, чем алюминий.
Еще более привлекательными свойствами обладают сплавы титана. Изделия из них при том же весе, что и титановые, в два — четыре раза прочнее. Сплавы идут на изготовление корпусов и ракетных двигателей, баллонов для сжатых и сжиженных газов. Поистине незаменим титан для космических конструкций. Недаром им облицован установленный в Москве грандиозный монумент в честь освоения космоса.
Наивысшую прочность при малом весе показывают детали из бериллия. Только редкость и высокая стоимость этого наилегчайшего из конструктивных металлов препятствуют более широкому распространению его в космической технике. Самые редкие и дорогие и самые обычные и дешевые — таков диапазон материалов для космических конструкций.
Забавно наблюдать, как солидные мужчины с весьма серьезным видом обмениваются опытом по части... вязания. Восхваляют достоинства узоров из лицевых и изнаночных петель, оценивают методы вязки с прямым и обратным накидом, обсуждают приемы перехвата нити и другие тонкости вязального ремесла. Еще больше удивитесь вы, когда узнаете, что идет совещание ракетостроителей. Слишком уж далеко это от их профессиональных интересов. Что общего может быть у космической ракеты с вязаным чулком? Скорее всего, ракетостроители отвлеклись от деловой беседы, и речь идет о необычном увлечении, хобби. Ведь попадаются же порой мужчины, для которых вязание — любимый отдых после работы.
Не буду искушать любопытство читателей недомолвками. Сообщу сразу, что ракетостроители заняты своим непосредственным делом и решают насущные проблемы космического производства. А проблемы эти столь серьезны, что вынуждают обратиться к такому, казалось бы, несерьезному занятию, как вязание, и к такому ненадежному материалу, как стекло.
Даже в наши дни, когда отношение к стеклу в технике стало более уважительным, трудно представить себе ответственные детали космических ракет, воплощенные в этом хрупком материале. Но это привычное мнение о его хрупкости было разбито вдребезги, когда обнаружили, что тончайшие стеклянные волокна в 50-100 раз прочнее массивного литого стекла. Изделия из невидимых глазу микронных стеклянных нитей, сцементированных специальным вяжущим веществом, не уступают по прочности стальным, хотя в четыре раза легче. Первыми успешно опробовали необычный материал самолетостроители. После их обнадеживающего опыта последовали ошеломляющие прогнозы. «Конструкция самолета, прямо с чертежной доски переведенная в новые материалы, будет на 30-50 процентов легче», — утверждали некоторые. Более осторожные предсказывали облегчение на 18-24 процента. Но и этого было достаточно, чтобы специалисты заговорили о назревающем качественном скачке в производстве летательных аппаратов.
Помимо малого веса и высокой прочности, стекловолокнистые изделия обладают еще хорошими теплоизоляционными способностями и небольшим тепловым расширением. Стенки корпуса ракеты из стекловолокна, в отличие от металлических, прозрачны для радиоволн. Они не создают никаких препятствий для прохождения к внутренним управляющим устройствам ракеты радиокоманд, посланных с Земли. Неудивительно, что на конкурсе авиакосмических материалов стеклопластики потеснили металлические отливки и поковки. И не просто потеснили. Внезапно вспыхнувший интерес к стеклу поколебал доверие к таким традиционным космическим материалам, как сталь, титан и алюминиевые сплавы. Корпуса двигателей, теплозащитные экраны, сосуды высокого давления, обшивку, носовые обтекатели и другие части ракет стали производить из стекла.
Стеклянная нить до неузнаваемости преобразила космический цех. Раньше стальной корпус ракетного двигателя сваривали специальными электродами в атмосфере защитного газа. Каждый квадратный сантиметр поверхности тщательно обрабатывался. После очередной операции приходилось снимать возникшие в материале напряжения. В конце концов, весь корпус целиком подвергался специальной термообработке с особым режимом охлаждения. Рентгеноскопически проверялась качественность и добротность сварных швов. Лишь после трех недель упорного и кропотливого труда корпус был, наконец, готов. А из стеклянных нитей его наматывают за несколько дней! Намотка стала основной производственной операцией. Она избавила ракетостроителей от множества более сложных и трудоемких процессов.
Чтобы изготовить корпус ракеты, сопло ракетного двигателя, его камеру сгорания или другие детали, достаточно намотать стекловолокно на глиняную или гипсовую модель нужной формы, как на шпульку, не забывая время от времени пропитывать слои связующими смолами. Процесс намотки можно полностью автоматизировать, препоручив его станкам с программным управлением. Носовой конус ракеты изготавливают из стекловолокна несколько иначе: на металлическую болванку натягивают один за другим до трех десятков «чулок» из стеклоткани. На каждый из них наносится связующий слой смолы. Затем болванку помещают в гидропресс, и через час обтекатель готов.
 Намотка на станке корпуса резервуара для топлива. |
Трудно теперь обходиться в космическом производстве без вязаных «чулок». Некоторые детали ракет целиком вяжутся, как вяжут шерстяные носки или рукавицы. Вот почему так волнуют ракетостроителей секреты наших бабушек, не расстающихся со спицами и клубком ниток. Не устраивает их только низкая производительность. Что такое для космической техники несколько пар шерстяных носков в месяц? Не те масштабы. Совсем другое дело — быстродействующие вязальные машины, да еще автоматические.
Намотку некоторых частей ракеты можно производить не в цехах завода-изготовителя, а прямо на космодроме, вблизи от места старта. Простота этой операции позволяет обходиться без особо сложной заводской оснастки. Так, например, изготавливают корпус двигателя американской ракеты «Сатурн». Сразу же отпадают все проблемы транспортировки необычайно громоздкого и тяжелого изделия.
Героев старых сказок и легенд не раз выручал в трудные минуты клубок ниток. Вспомним хотя бы нить Ариадны, которая вывела Тезея из лабиринта, или волшебный клубочек, указывавший путь Ивану-царевичу. Похоже, что в руки ракетостроителей тоже попал чудодейственный клубок ниток, только не простых, а стеклянных. Да и размеры клубка необычны даже по сказочным мерилам. Например, тончайшей стеклянной нитью, израсходованной на корпус одной из ракет, можно десять раз обернуть по экватору земной шар! Зато корпус стал почти вдвое легче прежнего, стального, и вдвое снизилась стоимость его изготовления.
Легковесность в сочетании с легкостью изготовления... Кажется, что стеклянная нить только для того и придумана, чтобы облегчить труд ракетостроителей. Но испытать чудесную силу своего клубочка они смогли лишь после того, как постигли все тонкости текстильного ремесла. Новый вид материала потребовал нового подхода к проектированию и к производству космических конструкций.
 Намотка корпуса двигателя американской ракеты-носителя «Сатурн» на стартовой площадке. |
Разорвать крепкий плетеный канат легче всего поперечным, срезывающим усилием. Например, ударить по нему топором. Не пробуйте растягивать его с этой целью — все равно не хватит сил. Точно так же обстоит дело с деталями из стекловолокна. Они стойко выносят механические усилия, растягивающие стеклянные нити. Поэтому далеко не безразлично, как намотать ту или иную часть ракеты. Если направления волокон не совпадут с направлением напряжений, возникающих в конструкции, прочность окажется заниженной. Чтобы обеспечить надежность конструкции, придется намотать слишком толстый слой стекловолокна. Тогда не только не получишь никакой экономии в весе, наоборот, можно даже утяжелить ракету. Так возникли необычные для ракетной техники проблемы: какая намотка предпочтительнее — крестовая, спиральная, звездообразная или продольно-поперечная? Как умудриться намотать шаровую емкость? Какое должно быть натяжение стекловолокна? Как обеспечить высокую точность укладки нити? Такие вопросы приходится решать для каждого изделия. Главное, чтобы действующие на нити усилия не оказались срезывающими, поперечными. Ведь от этого зависит тот выигрыш, который получают, заменяя металл стекловолокном. Одним словом, нет важнее забот, чем проблемы сматывания и наматывания.
Ракетостроителей не удивишь не новой, в общем-то, идеей — облегчать космическую конструкцию с помощью более легких и более прочных материалов. Именно так они и поступали, применяя алюминиевые и магниевые сплавы, а затем титан и бериллий. Но комбинированные материалы из тонких волокон и связующих полимеров превзошли все их ожидания. Если обшивка из титана или бериллия легче алюминиевой на 40 процентов, то из волокон бора, стекла и углерода, связанных эпоксидной смолой, легче уже на 60 процентов. А органическое волокно «кевлар» даже по сравнению со стеклопластиком облегчает изделия на 30 процентов.
|
«Грядет век неметаллических ракет», — подумают некоторые, прочитав эти страницы. Действительно, кажется, еще немного — и космическая ракета превратится в уникальное сооружение, скроенное целиком из волокнистых материалов. К тому же обещают, что к 2000 году их прочность в десять раз превысит прочность лучших сталей. Но умеряет аппетит ракетостроителей низкая температурная стойкость смол и пластмасс, связующих чудесные нити. Правда, ученые не теряют надежды создать более термостойкие полимеры, которых не устрашит тепловой удар в тысячи градусов. Пробуют даже в качестве связующей основы использовать металлы. Уже сейчас некоторые комбинированные материалы из волокон сохраняют свою прочность при довольно высоких температурах. Из них изготавливают, например, лопатки компрессоров для турбореактивных двигателей.
У стеклянных нитей нашелся необычайный конкурент. Мельчайшие кристаллики сапфира в виде иголочек микронной толщины поразили всех своей редкостной прочностью. Сплетенная из этих кристаллических волокон нить легко выдерживает груз, разрывающий стальную проволоку в десять раз толще. Именно мизерные размеры гарантируют высокую механическую стойкость кристалликов. В их микроскопическом объеме не умещаются те дефекты кристаллической структуры, с которых начинается всякое разрушение или взрыв. Вопреки общеизвестной пословице, где тонко, там как раз не рвется.
Столь прочный материал — настоящая находка для космического производства. Ракетостроители заранее подсчитали все выгоды, которые они получили бы, заменив стеклянную нить более стойкой, сапфирной. К сожалению, им пока не по карману космические ракеты из драгоценных камней, пусть даже искусственных. Но так велик соблазн, что решили до поры до времени использовать сапфир лишь частично, «разбавляя» им металлы. Идея довольно простая: в расплав металла подмешивают сапфирные волокна. После затвердевания получают металлическую отливку нашпигованную драгоценными кристалликами, повышающими ее прочность в несколько раз.
Из сапфирных волокон, схваченных полимерной связкой, был изготовлен американский спускаемый лунный отсек. И все же цена таких конструкций пока еще слишком высока.
В старину, отливая колокола, добавляли в расплав серебро. Только ради особой чистоты звона. Что же удивительного, если ракетостроители, не ради пустого звука, а в поисках скрытых резервов прочности, готовы сыпать в расплав сапфирную пыль? Мало того, они не скупясь золотят космические конструкции. Судите сами, в одних аппаратах устанавливают золоченые топливные баки и трубопроводы, в других покрывают золотом контейнеры для научных приборов и внешние силовые фермы из стали, в третьих позолота украшает корпуса двигателей мягкой посадки и детали из алюминиевых сплавов. Настоящая «золотая лихорадка»!
В обыденной речи слово «золотой» нередко употребляют в смысле чудесный, дивный, сказочный. Уж не думают ли творцы космических аппаратов, что их изделия вместе с золотым блеском обретут какие-то изумительные, необычные качества?
А почему бы и нет? Ведь с точки зрения физики, блеск — это не что иное, как отраженный поверхностью свет. А золотистый блеск — далеко не пустяк. Золото очень хорошо отражает лучи, особенно невидимые, тепловые. До девяноста процентов падающего инфракрасного излучения рассеивается его поверхностью обратно в окружающее пространство. Это значит, что под палящими лучами Солнца, не смягченными толщей земной атмосферы, позолоченному спутнику не грозит перегрев. Микроны благородного металла предохранят его от «солнечного удара».
Золото не только слабо поглощает внешние тепловые лучи, но и плохо испускает свои собственные. Позолоченные предметы как бы сами себя термостатируют: чужого тепла им не нужно, но и свое они отдают весьма неохотно. И не найти надежнее защиты от коррозии и окисления, чем позолота. Поэтому-то в английских исследовательских спутниках «Ариель» и «Просперо», в американских космических аппаратах «Маринер», «Рейнджер» и в пилотируемых кораблях «Джемини» и «Аполлон» не счесть деталей в золотом исполнении. Считают, что, какова бы ни была их стоимость, она вполне окупается одним только блеском. Даже первый американский искусственный спутник «Авангард» был позолочен снаружи.
И в скафандрах космонавтов нашлось для золота применение. Тончайшее прозрачное золотое покрытие на стекле шлема, в стотысячные доли миллиметра толщиной, играет роль предохранительного оптического фильтра. Оно защищает лицо космонавта от обжигающего излучения и снижает интенсивность видимого света. Немаловажное свойство, если вспомнить о силе солнечных лучей в безвоздушном космическом пространстве.
Но почему выбор пал именно на золото? Ведь, как говорится, не все то золото, что блестит. Можно найти другие, более дешевые металлы, отражающие световые лучи лишь немногим хуже. Взять хотя бы серебро, алюминий или медь. Оказывается, помимо блеска, у золота немало иных полезных качеств. В отличие от серебра и меди, оно не темнеет со временем. По сравнению с алюминием слой золота можно наносить гораздо большим числом способов на самые различные поверхности.
 В космических аппаратах используют самое чистое золото, какое только употребляют в технике. |
Упоминавшийся ранее спутник «Трайяд-1», состоящий из внутреннего тела и окружающего его футляра, тоже не обошелся без драгоценных металлов. Его внутреннее «ядро» было целиком отлито из сплава платины с золотом. А в сходном по строению французском спутнике «Кастор» оно было изготовлено из чистой платины. Дело тут не в блеске, сыграло свою роль другое немаловажное свойство этих металлов. Как уже говорилось, спутник «Трайяд» предназначен для того, чтобы изучать движение по орбите в чистом виде, без всяких помех. Футляр надежно прикрывает упрятанное внутрь тело от любых воздействий... кроме магнитных. Стремясь уменьшить искажения, вносимые в полет спутника магнитным полем Земли, конструкторы сделали его внутреннюю часть из металлов хоть и очень дорогих, но с весьма слабыми магнитными свойствами. Это позволило в сто раз снизить геомагнитное воздействие на спутник по сравнению с воздействием на обычные немагнитные материалы.
Золотоносные космические корабли, замешенные на сапфирах металлические конструкции... Кажется, что попал в мир сказочных чудес. Но создатели космических кораблей — здравомыслящие и практичные люди. Лишь исключительные обстоятельства превращают их в мастеров золотых дел. Там, где это возможно, они не прочь использовать самые обычные, заурядные материалы. Тепловой экран космического корабля «Джемини», например, изготовлен из резины, правда, кремнийорганической, с очень малой плотностью. Примечательно, что по мере обугливания она разбухает и теплозащитные качества экрана не ухудшаются, несмотря на то, что он понемногу сгорает в обтекающем корабль воздушном потоке.
 Детали ракет и космических аппаратов, изготовленные из бумаголита, по своим качествам могут соперничать с металлическими. |
Несколько лет назад один зарубежный журнал опубликовал интересный очерк о том, что можно оборудовать дом исключительно предметами из бумаги. В наши дни бумага не довольствуется чисто земными профессиями — она претендует на роль космического материала. Целый набор деталей космических ракет изготовили из бумаголита — слоистого пластика на бумажной основе. Здесь и переходники, и стабилизаторы, и даже такие ответственные части, как сопла ракетных двигателей. Прочность бумаголита не уступает лучшим сортам алюминиевых сплавов, а стоимость изготовления снижается чуть ли не вдвое. Уже проведены пробные запуски небольших метеорологических ракет с отдельными бумажными частями. Выходит, что бумажный космический корабль — не такая уж нереальность.
Если позолоченный космический аппарат, ради прочности «инкрустированный» изнутри драгоценными камнями, сравним с роскошными, великолепными дворцами из арабских сказок, то у ракетной конструкции из бумаголита можно найти сходство с бумажным дворцом из сказок Андерсена, более скромных и прозаических. Не отыщется ли среди необычных космических проектов подобие дворца из медовых пряников? Оказывается, нечто в этом роде предложили специалисты американской фирмы «Грумман». Они запатентовали съедобный космический материал. Спрессованная при высокой температуре смесь из кукурузной крупы, молочного порошка, крахмала, муки и банановых хлопьев напоминает фибровый картон. Если такой материал покрыть снаружи фольгой или полиэтиленом, получатся прекрасные приборные доски и щиты, переборки между каютами, облицовочные плиты и панели, мебель и другие предметы внутреннего убранства космического корабля.
Известны случаи, когда команда затерявшегося в море судна, израсходовав все съестные припасы, съедала кожаную оснастку. Экипаж космического корабля окажется в более выгодном положении. К его услугам вся внутренность жилых помещений. Не совсем пряники, больше похоже на питательные галеты. Калорийность 300-400 калорий на каждые сто граммов. Есть где развернуться. Велико было бы удивление встречающих, если бы их взорам предстал обглоданный изнутри корабль. Неизвестно как космонавтам, а мышам такие космические корабли пришлись бы очень по вкусу.
 Части космического корабля, изготовленные из съедобного конструкционного материала, обладают недурными вкусовыми качествами. Специалисты утверждают, что добавки приправ и витаминов не ухудшают механическую прочность материала. |
Как тут не вспомнить съедобную деталь советской автоматической станции «Венера-4». На корпусе ее смонтировали... сахарный замóк. Не зная еще, что представляет собой поверхность Венеры — сушу или сплошной океан, конструкторы предусмотрели возможность приводнения спускаемого аппарата. Он был рассчитан таким образом, что после растворения замкá в воде передающая антенна должна была приподняться над волнами.
Предложив съедобный материал для межпланетных кораблей, специалисты руководствовались одной из заповедей космического конструктора, с которой мы сейчас познакомимся. Случается порой так, что при нехватке рабочих рук члены какого-нибудь производственного коллектива осваивают смежные профессии. Иначе им не справиться с порученным заданием. Космическая конструкция как раз в таком трудном положении: слишком мал «коллектив» деталей и частей, из которых она состоит. Это и немудрено, ведь только несколько процентов веса всей ракеты предназначено для ее конструкции. Вот и приходится исхитряться. Непременное правило, которым руководствуется космический конструктор, гласит: любая деталь или часть ракеты должна, по возможности, освоить несколько «смежных профессий», то есть выполнять сразу несколько назначений. Например, пусть кресло для космонавта станет одновременно и аварийным запасом пищи. Специалисты фирмы «Грумман» считают, что за счет съедобной внутренней отделки можно в десять раз уменьшить пищевые запасы на борту корабля.
 Схема работы ракетного двигателя, в котором в качестве охладителя используется жидкое горючее. |
Немало можно найти в ракете подобных «совместителей», пусть и не столь вкусных. Взять хотя бы жидкое топливо. Помимо своей основной обязанности, оно зачастую используется как охладитель ракетного двигателя, предохраняющий его от перегрева и разрушения. Для этого у камеры сгорания делают двойные стенки. В пространстве между ними прокачивают жидкое топливо, поступающее затем в камеру сгорания. Таким образом, оно не просто отбирает от стенок тепло, но уносит его обратно внутрь камеры, снижая потери энергии, выделяющейся при сжигании горючего. Преимущества этого метода охлаждения подметил в свое время молодой инженер В. П. Глушко, будущий академик и выдающийся конструктор ракетных двигателей. В 1931 году он писал: «Выгодно охлаждать ракетный мотор самим жидким топливом не только с целью уменьшения теплопотерь, но и чтобы не увеличивать мертвый вес ракетного летательного аппарата посторонней жидкостью». Борясь с избыточным весом, конструкторы додумались до того, что стали охлаждать ракетный двигатель той же жидкостью, которая его разогревает.
На орбите, в условиях невесомости, можно создавать такие ажурные сооружения, которые на Земле не выдержали бы даже собственного веса. Вот где пригодятся облегченные, пустотелые или пористые строительные материалы. Особый интерес представляют плохо проводящие тепло пенопластики, например, пенополиуретаны. Их уже применяют в качестве теплоизолирующих перегородок и покрытий для ракет. Изолировав топливные баки ракеты-носителя «Сатурн» пенопластом вместо использовавшихся ранее алюминиевых сот, облегчили ее почти на полторы тонны. При температуре жидкого кислорода пеноуретановая теплоизоляция баков с этим окислителем оказалась во много раз действеннее и надежнее, чем сотовая. Есть такие пеноуретаны, которые остаются эластичными даже при температуре минус 150 градусов, когда полностью теряет свои упругие свойства резина. С их помощью гасят шумы и вибрацию в конструкции ракеты. Но главное достоинство пенистых материалов в том, что изделия из них легко получать прямо в космосе.
Вот выводят компактный баллон с жидким сырьем для пенопластика на орбиту и раскупоривают. В космическом вакууме растворенные газы мгновенно выделяются из жидкости, и она бурно вскипает. Настолько бурно, что выделяется обильная пена, которой можно заполнить специально приготовленную форму. Вспененный продукт занимает почти в 50 раз больший объем, чем сама жидкость. Из содержимого небольшого баллона можно получить изделия самых различных размеров и конфигураций, например, целый набор кресел для космонавтов. Одно такое кресло уже было изготовлено, правда, в земных «космических условиях», в особой вакуумной камере.
На дакроновую ткань, обтягивающую каркас будущего кресла, нанесли тонкую пленку изоцианового эфира. Как только в камере имитировали разреженное космическое пространство, вещество вспенилось и образовало 10-сантиметровый слой пластика. Из этого материала можно производить не только оборудование для космонавтов, но и амортизирующие прокладки, перегородки и облицовочные плиты для космического жилья. И до чего же удобно доставлять на орбиту внутренность космической станции в жидком виде! Советским космонавтам, побывавшим на станции «Салют-6», уже приходилось работать с пенообразующими веществами. В июле 1980 года они продемонстрировали телезрителям свою шутливую поделку из пенополиуретана. Это был симпатичный медвежонок — символ проходившей в те дни Московской олимпиады. Как знать, не станет ли он и символом нового космического материала, вырабатываемого на орбите?
Пенообразующие вещества способны заменить целую ремонтную бригаду. Сами, без участия человека, они ликвидируют метеоритные повреждения в обшивке космического корабля.
 Пробка из вспенивающегося материала закупорит любую метеоритную пробоину. |
Вспоминается рассказанная кем-то история о том, как гуси поймали лису. Когда плутовка прорыла ход и проникла в сарай, испуганные птицы кинулись в проделанное ею отверстие и закупорили его своими телами. Лиса не смогла выбраться из сарая. Точно так же вспенивающиеся материалы удерживают в кабине воздух, когда метеорит прошивает насквозь стенку космического корабля. Как только пробой разгерметизирует первый слой бортовой обшивки, специальный состав, находящийся под наружной броней, вскипает в вакууме и забивает отверстие пеной. Пока что все это разыгрывается в стенах лабораторий, на испытательных стендах. Ученые еще присматриваются к веществам, образующим достаточно прочную пену с хорошими склеивающими свойствами и уплотняющей способностью. Идет строжайший отбор по скорости вскипания. Ведь нужно опередить воздух, который устремляется из аппарата наружу. В этом необычном состязании бесполезен секундомер, счет идет на малые доли секунды. Кто первым успеет к образовавшейся бреши?
Опыты показали, что если полиуретан герметизирует пробой за пять-семь секунд, то, например, полиамид практически мгновенно ликвидирует течь. Его пена может сыграть роль аварийной пробки. И эта пробка вездесуща: где бы ни произошел пробой, он не застанет космонавтов врасплох.
Немало нашлось бы и других применений для вспенивающихся материалов, если бы не их однобокость. Облюбовав низкие температуры, они разом теряют все свои качества, стоит только их подогреть. Вот если бы пена выдерживала высокие температуры не хуже металлов! Что ж, такая пена уже получена. Термостойкость ее даже лучше, чем термостойкость металла. Например, пена из алюминия успешно противостоит жару в полторы тысячи градусов. Между тем температура плавления обычного литого алюминия всего 660 градусов. Насытив объем металла порами, пустотами, повысили его жаростойкость. К тому же пеноалюминий в несколько раз легче воды, по своей плотности он приближается к бальзе — самому легкому виду древесины. Есть, оказывается, польза и от пустоты, если умело замешать ее с веществом. И самый лучший замес — космический.
Советские космонавты В. Ляхов и В. Рюмин получали на борту орбитальной станции «Салют-6» образцы пеноалюминия. Эти эксперименты были подготовлены учеными Народной Республики Болгарии. Опыты показали, что в невесомости резко замедляется разделение жидкости и газов в расплаве. В результате пористость пенометалла космического происхождения в десятки раз выше, чем рожденного в земных условиях. Быть может, со временем космические конструкции будут рождаться прямо на орбите, как Афродита, из пены, только не из морской, а из металлической.
На одной из парижских выставок 1967 года оживленные посетители толпились у странного вида экспонатов. Некоторые из них напоминали неискушенному глазу бесформенную груду воздушных шаров, другие походили на ряды миниатюрных аэростатов, третьи представляли собой хитросплетение тонких трубок. Это были проекты надувной архитектуры и надувной обстановки для современной квартиры.
Надувные здания, надувная мебель... Кое-кто упрекал авторов этих проектов в излишней эксцентричности. И никому было невдомек, что подобной «пневмоманией» давно уже заражены космические архитекторы. Порой им просто не обойтись без такого «надувательства», рождающегося в ореоле удачной конструкторской мысли.
Помнится, мы сравнивали с футбольным мячом несущие топливные баки ракеты. Заполняющий их под давлением газ придает нужную крепость всей конструкции. Переняв у футбольного мяча приглянувшиеся им качества, ракетостроители решили попытать счастья с его менее солидным собратом — воздушным шариком. С детства прельщает нас способность воздушного шарика к перевоплощению. Спущенная оболочка его умещается в кулаке. Не представляет никакого труда упрятать в карман дюжину таких оболочек. Надув их, получим внушительную, хотя и невесомую связку шаров.
То, что привлекает в воздушном шарике детей, не менее притягательно и для космических конструкторов. Их давняя мечта — не утяжеляя космический аппарат, как можно больше увеличить его поверхность. Распрямляющиеся, разворачивающиеся в полете конструкции пока что неплохо справляются с этой задачей. Но почему бы не помечтать о большем? И вот перед мысленным взором конструкторов возникают... «воздушные замки».
 По сравнению с обычным космическим аппаратом жесткой конструкции надувной аппарат может иметь гораздо большие размеры и поверхность. |
Еще в августе 1960 года на орбиту был выведен первый надувной искусственный спутник «Эхо». Правда, надувной он не совсем в том смысле, какой мы привыкли вкладывать в это слово. Никто не скажет про обычную электрическую лампочку, что она надувная. Наоборот, ее называют вакуумной. Между тем давление в ней ненамного отличается от давления внутри спутника «Эхо». Чтобы распрямить его легчайшую оболочку, толщиной в сотые доли миллиметра, вполне достаточно разреженного роя молекул. То, что на Земле порой считают вакуумом, в космическом пространстве становится избыточным давлением. Ведь снаружи-то давление в тысячи раз меньше. Поэтому незачем брать на орбиту баллон со сжатым газом для наддува. Гибкая оболочка да две-три пригоршни специального испаряющегося порошка — вот и все, что нужно для сооружения надувной космической конструкции.
 Надувной космический аппарат в виде тора во много десятков раз превышает по объему контейнер, в который упаковывается его пустая оболочка. |
Семьдесят два пакетика с испаряющимся веществом было упрятано внутрь сложенной и упакованной в контейнер оболочки «Эхо». На орбите разогретый солнечными лучами порошок начал испаряться прямо из твердого состояния, подобно кристалликам йода или нафталина. Развернувшуюся оболочку поддерживало не только едва ощутимое давление его паров. Пропитанная особым составом, она сама собой затвердевала после заполнения. Этот космический «пузырь» оказался на редкость подвижным. Малейшее дуновение сбивало его с пути.
Сколько усилий и почти ювелирного искусства пришлось приложить в свое время русскому ученому П. Н. Лебедеву, чтобы продемонстрировать движущую силу света! В его уникальном приборе световой луч, упав на тончайшую миниатюрную пластинку, закрепленную на оси в пустой, откачанной колбе, поворачивал ее, словно крылья мельницы. А спутник «Эхо» буквально сдувало с орбиты излучением Солнца. Конструкторы наградили его завидной парусностью. Семидесятикилограммовую оболочку распирало на орбите до размеров десятиэтажного дома — 30 метров в поперечнике. В спущенном же виде она умещалась в шаровом контейнере диаметром 67 сантиметров. Компактная упаковка, не причиняющая никаких хлопот при запуске, — это как раз то, что заимствовано надувными космическими аппаратами у детского воздушного шарика.
Но одного этого достоинства слишком мало. Велика ли польза от гигантского космического «пузыря», если на его тончайшей оболочке не укрепишь даже самый миниатюрный прибор? Только узкий, ограниченный круг задач могут решать такие спутники-баллоны. Скажем, выведенная на орбиту надувная параболическая антенна, диаметром в десятки метров, могла бы служить спутником-ретранслятором.
 Внутренние поперечные растяжки придают прочность надувной плоской панели. |
Куда больший интерес представляют надувные панели для космических сооружений. Две гибкие, прочные пленки, соединенные множеством усиливающих растяжек, можно превратить в весьма жесткую стенку, если заполнить пространство между ними газом под давлением. Это уже не эфемерный воздушный шарик, скорее — туго надутый футбольный мяч. И радует глаз конструктора богатство и разнообразие форм по сравнению с надувными спутниками. Попробуйте так раздуть гибкую оболочку, чтобы воспроизвести правильный куб или призму! А из плоских надувных панелей можно складывать, словно карточные домики, любые фигуры, будь то параллелепипед, призма или пирамида. Только про карточный домик говорят: дунешь и рассыплется. В данном же случае правильнее было бы сказать: дунешь и соберется. Ведь вдувать в панели газ будут прямо на орбите.
В ближайшие годы тепловая мощность аппаратуры и оборудования спутников значительно возрастет. Никуда не деться от этого неизбежного следствия их все более многообразной деятельности. Для удаления же тепла приходится довольствоваться всего одним «каналом» — инфракрасным излучением в окружающее пространство. Известная задача о бассейне с трубами, через которые втекает и вытекает вода, оборачивается здесь сложнейшей проблемой. Не так просто отрегулировать приток и отток тепла, если отводящая «труба» является в то же время подводящей. Ведь наружная поверхность спутника не только рассеивает в виде излучения скопившуюся в нем тепловую энергию, она же и поглощает энергию солнечных лучей. Малейшая оплошность с этим двусторонним тепловым каналом чревата довольно неприятными последствиями. Словно в тетрадке нерадивого школьника, «тепловой бассейн» ежеминутно грозит опустеть или переполниться.
 Некоторые источники тепла вне космического корабля и внутри него: 1 — Солнце; 2 — система реактивного управления; 3 — насосы для охлаждения; 4 — электронная аппаратура; 5 — тормозная силовая установка; 6 — космонавт; 7 — оборудование; 8 — система кондиционирования; 9 — кабели и проводники, по которым течет электрический ток; 10 — радиолокационная станция. |
Это испытали на себе американские космонавты, совершавшие полет на космическом корабле «Джемини-7». Когда корабль неожиданно начал переворачиваться, подставляя солнечным лучам как раз ту часть своей поверхности, которая плохо их поглощала, нарушился запланированный тепловой режим. Температура в отсеке понизилась до плюс одиннадцати градусов. Не большое удовольствие совершать полет в кабине, не отличающейся от неотапливаемого помещения. Пришлось космонавтам одеться потеплее и включить бортовые двигатели, чтобы выправить положение корабля относительно Солнца.
С иной опасностью столкнулся экипаж американской станции «Скайлэб». Из-за неисправности энергетического блока в жилых отсеках станции начало выделяться избыточное тепло, и температура угрожающе поползла вверх. Нужно было незамедлительно принимать какие-то меры. По рекомендации из Центра наземного управления космонавты включили двигатели и изменили ориентацию «Скайлэба» относительно Солнца. Температура внутри станции вскоре понизилась.
В обоих случаях космонавты добивались нормального теплового режима, нужным образом ориентируя космический аппарат по отношению к Солнцу, то есть регулируя поглощение и отражение солнечных лучей поверхностью аппарата. Как чувствителен климат внутри спутника или станции к их излучающей и поглощающей способности! Поэтому так ответственна работа «космического маляра», окрашивающего аппарат снаружи.
Какого цвета одежду предпочитают летом? Белого. Белые предметы хорошо отражают солнечные лучи. Если орбита космического аппарата проходит вблизи Солнца, предусмотрительный «космический маляр» не задумываясь окрасит его в белый цвет. Любая другая окраска противопоказана в околосолнечном жарком «климате». Так же просто решается вопрос о цвете в случае чересчур удаленной от Солнца орбиты. Нужно зачернить аппарат снаружи, чтобы он усиленно поглощал те слабые потоки света, которые достигают его поверхности.
А как же быть с промежуточной орбитой? Заранее можно сказать, что одним только черным или белым цветом здесь уже не обойдешься. Слишком контрастны они в тепловом отношении. Подсчитали, что на околоземной орбите плоская черная пластина нагреется до плюс 60 градусов. Но если перекрасить ее в белый цвет, она охладится до минус 25 градусов. Такая игра в «горячо— холодно» может плохо сказаться даже на беспилотных спутниках. Никто не поручится за надежную работу перегретого или переохлажденного оборудования. «Космический маляр» обязан позаботиться о промежуточных, «теплых» или «прохладных», тонах окраски.
Что ж, можно добиться этих тонов, обращаясь все к тем же цветам — черному и белому. Комбинируя в нужной пропорции черные участки с белыми на поверхности спутника, удается сбалансировать приток и отток тепла, то есть решить задачу о «тепловом бассейне» на орбите. Таким способом термостатировали не один космический аппарат. Например, американский спутник «Эксплорер» был усыпан снаружи четырьмя тысячами белых пятен, диаметром по десять сантиметров каждое. Они занимали пятую часть всей его поверхности. Красиво или некрасиво — никто над этим не задумывался. Термодинамические расчеты вытеснили всякие эстетические соображения.
 Умело комбинируя белый цвет с черным, можно предохранить космический аппарат от перегрева или от переохлаждения. |
Бедна палитра «космического маляра». Всего лишь два цвета в его распоряжении — черный и белый. Но и с ними он совершает подлинные чудеса. Шутка ли, тончайший слой краски заменяет порой обширный тепловой излучатель со всеми необходимыми для него приспособлениями! К сожалению, на все случаи жизни не угадаешь заранее черно-белую мозаику. Что хорошо для одних условий, может оказаться непригодным для других. Раз и навсегда застывшему терморегулирующему рисунку никак не справиться с тем разнообразием вариантов, которые встречаются в длительном космическом рейсе. Ведь рассчитан он на что-то одно. Вот если бы черно-белая гамма менялась и приспосабливалась к непостоянным условиям полета! Такими «живыми картинками», хотя и не черно-белыми, разрисованы советские искусственные спутники серии «Космос». Правда, слово «разрисованы» можно применять здесь лишь условно. «Космическому маляру» пришлось воспользоваться некоторыми механическими приспособлениями,, чтобы вдохнуть жизнь в свою «живопись».
Часть наружной поверхности этих спутников обладает повышенной излучательной способностью. Своего рода отводящая труба «теплового бассейна». Ее закрывают подвижные экраны, жалюзи. Покрытые плохо излучающим веществом, например, слоем алюминия, они снижают теплоотдачу и предохраняют аппарат от переохлаждения. Но стоит только температуре спутника возрасти до некоторого предела, как жалюзи автоматически поворачиваются, открывая тепловую «отдушину». В образовавшуюся брешь немедленно устремляется из спутника поток невидимых тепловых лучей. Сбросив избыток тепла, аппарат охлаждается, и жалюзи снова закрываются. Конечно, это еще не последнее слово техники. Хотелось бы избавиться от подвижных частей, от излишнего веса механических устройств и экранов. Вообще хотелось бы чего-то попроще. Скажем, чтобы спутник сам, без всяких приспособлений, менял свою окраску, подобно хамелеону!
Химики идут навстречу этому желанию конструкторов. Уже сейчас они готовы предложить на выбор несколько десятков веществ для окраски спутника-хамелеона. Некоторые полимерные соединения при нагревании меняют свой цвет с черного на белый как раз в нужном диапазоне температур. Как только спутник, покрытый снаружи таким веществом, начнет перегреваться, он сам собою побледнеет, «облачаясь» в белый защитный цвет. Сразу же уменьшится поглощение солнечных лучей и температура его упадет. Но ниже нормы она не понизится. Цвет охлажденного аппарата снова станет черным. Теперь его поверхность примется усиленно поглощать солнечные лучи, и он вновь нагреется. То темнея, то светлея, спутник будет автоматически поддерживать во внутренних отсеках запланированный тепловой режим.
У некоторых теплочувствительных веществ изменение температуры всего лишь на два градуса вызывает черно-белый переход. Конечно, терморегулирующие покрытия не сравнить, например, с терморегулирующей системой человеческого организма. У здоровых людей температура тела выдерживается с точностью до десятых долей градуса. Но если учесть простоту и легковесность цветоменяющих устройств, то трудно пока придумать что-либо более подходящее. К тому же на современных пилотируемых космических кораблях температура регулируется с точностью плюс-минус три градуса, а на автоматических станциях и аппаратах — в пределах плюс-минус пять градусов около заданного значения.
Быть может, не совсем правильно сравнивать перекрашивающийся в полете спутник с хамелеоном. Ведь хамелеон, меняя свой цвет, руководствуется вовсе не соображениями теплозащиты. А вот аризонская ящерица именно с помощью окраски регулирует температуру своего тела. Зимой она черная, а жарким летом ее кожа принимает светло-зеленый оттенок и хорошо отражает солнечные лучи.
Мы привыкли к тому, что окраска какого-нибудь изделия становится последней, завершающей стадией работы над ним. Для космического аппарата это не так. Цвет его поверхности выбирается и опробывается одновременно с разработкой и отладкой всех систем. Да и не может быть иначе: все в космическом аппарате взаимосвязано, все тесно переплетено, ибо все части и элементы — слагаемые его общего веса. Но, придерживаясь традиционной, привычной последовательности производственных операций, закончим и мы наш разговор о космической технике главой, посвященной окраске.
Подошла к концу наша книга, но проблему веса космических конструкций мы так и не исчерпали. Слишком она многогранна и необъятна. Борьба за вес продолжается даже после того, как космический аппарат сконструирован и изготовлен. Уже в цехе, на готовом изделии, добиваются той весовой экономии, которой не сумел или не успел добиться конструктор в своих чертежах.
Один из создателей советских автоматических станций «Венера», рассказывая о заключительном этапе работ, приводит текст приказа, который был вывешен в конструкторском бюро: «В целях привлечения изобретателей и рационализаторов к решению первоочередной задачи — уменьшению веса конструкции при сохранении надежности, качества и технологичности — приказываю: 1. Объявить конкурс по снижению веса изделия...» На станции дотошно просматривался каждый кронштейн, каждый болт, каждый кабель и жгут. «Можно срезать пару ниток болта — срезали, можно хоть на несколько сантиметров укоротить жгут — укорачивали...» За каждый сэкономленный грамм выплачивалась немалая премия.
Всякий раз, когда подходит к концу длительный и трудоемкий процесс создания космического аппарата, начинается настоящая охота за неизъятыми еще, лишними граммами. Американская фирма, разрабатывавшая лунную кабину «Аполлона», после того как из конструкции, казалось, было выжато уже все возможное, обещала платить по 10 000 долларов за фунт сброшенного веса. Такая экономия на мелочах приводит в целом, по всему аппарату, к весьма ощутимым результатам. В космических конструкциях не перечесть различных мелочей. Сберегая на каждой из них граммы, освобождают аппарат от многих килограммов избыточного веса.
Не смея пренебрегать никакой малостью, конструкторы все же надеются на большее. Надеются на то, что однажды им выпадет крупный выигрыш: одна из предложенных необычностей поможет, наконец, справиться с проблемой веса. Поэтому не ослабевает их тяга к необычному. Про космического конструктора можно сказать словами древнегреческого философа Гераклита: «Если он не ожидает неожиданного, то не найдет сокровенного».
Но откуда и когда оно придет — это неожиданное? Никто не знает. Вспоминается один научно-фантастический рассказ. В нем повествуется об инопланетянине, оказавшемся на Земле в результате катастрофы, постигшей его корабль. Никому и в голову не приходит, кто он на самом деле. Все считают его недалеким чудаком, роющимся целыми днями на свалке среди различного хлама и металлолома. И вот однажды на глазах изумленных очевидцев со свалки взмывает в небо невиданный летательный аппарат, сооруженный умелыми руками инопланетянина.
Не взлетит ли когда-нибудь с грандиозной «свалки» отвергнутых проектов диковинный космический аппарат, сотворенный из отходов сегодняшней конструкторской мысли? Прогресс космической техники столь стремителен, что ученые затрудняются делать мало-мальски определенные прогнозы хотя бы на несколько десятилетий вперед. В начале нашего века Константин Эдуардович Циолковский дал первую научно обоснованную идею космической ракеты. Многие современники воспринимали его как неисправимого чудака и фантазера-мечтателя. А ныне фантазии этого «чудака» воплощаются в космические конструкции. Но и этот человек, творческая мысль которого вырвалась далеко вперед, не смог предугадать стремительного темпа развития ракетной техники. Ему казалось, что покинуть земные пределы удастся не раньше, чем через несколько сотен лет. Действительность опередила даже его дерзновенную мечту. «Все идет неизвестными путями и к неизвестным, но, вероятно, величественным результатам, — писал тогда К. Э. Циолковский. — И мы с вами участники этого движения».
От автора
КОНСТРУКТОР И ВЕСЫ
Глава I
ИДЕИ СТАРТА ИЛИ СТАРТ ИДЕИ
Глава II
КТО В КОСМИЧЕСКОЙ УПРЯЖКЕ?
Глава III
НА КОСМИЧЕСКИХ ПЕРЕКРЕСТКАХ
Глава IV
ЗАБОТЫ КОСМИЧЕСКОГО АРХИТЕКТОРА
Глава V
СКАЗОЧНЫЕ ДВОРЦЫ НА ОРБИТАХ
Заключение
| ДЛЯ СРЕДНЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА Анатолий Сергеевич Шибанов ЗАБОТЫ КОСМИЧЕСКОГО АРХИТЕКТОРА ИБ № 3107 Ответственный редактор В. А. Анкудинов Художественный редактор Л. Д. Бирюков Технический редактор В. К. Егорова Корректоры Г. В. Русакова и Н. Г. Худякова |
| Сдано в набор 14.04.81. Подписано к печати 08.02.82. Формат 70х 100/16. Бум. офсетная № 1. Шрифт литературный. Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,7. Усл. кр.-отт. 25,35. Уч.-изд. л. 9,74. А 03536. Тираж 100 000 экз. Заказ № 1016. Цена 55 коп. Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Детская литература» Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, Центр, М. Черкасский пер., 1. Калининский ордена Трудового Красного Знамени полиграфкомбинат детской литературы им. 50-летия СССР Росглавполиграфпрома Госкомиздата РСФСР. Калинин, проспект 50-летия Октября, 46. Научный консультант — кандидат технических наук Б. А. Рабинович |
Шибанов А. С.
Ш55 Заботы космического архитектора: Научно-худож. лит-ра/Рис. А. Белова. — М.: Дет. лит., 1982. — 142 с, ил.
В пер.: 55 к.
Наряду с показом общих тенденций развития современной космонавтики, автор, кандидат физико-математических наук, рассказывает о некоторых малоизвестных, необычных проектах, связанных с запуском космических ракет, с принципами действия космических двигателей, маршрутами перемещения космических кораблей, материалами, конструкциями и формами межпланетных станций.
ББК 39.6
6Т6