Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ

9/1984

Издается ежемесячно с 1971 г.

ББК 39.62

Г 11

СОДЕРЖАНИЕ

Введение3

Объекты космического строительства в ближайшие десятилетия5

Типы крупногабаритных конструкций10

Технологические аспекты строительства в космосе33

Эксплуатационные требования46

Космические сооружения за пределами околоземной орбиты54

Рекомендуемая литература58

НОВОСТИ ЗАРУБЕЖНОЙ КОСМОНАВТИКИ59

Гвамичава А. С., Кошелев В. А.

Строительство в космосе. – М.: Знание, 1984.– 64 с, ил.– (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 9).

11 к.

Дальнейшее развитие космонавтики предполагает использование в космосе крупногабаритных конструкций как самостоятельного значения, так и в качестве различных элементов космических аппаратов О строительной технологии создания таких конструкций на орбите, об их конструктивных особенностях и рассказывается в данной брошюре.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей интересующихся современными проблемами космической техники.

3607000000ББК 39.62

6Т6

© Издательство «Знание», 1984 г.

ВВЕДЕНИЕ

Строительство в космосе, учитывая современный уровень развития космонавтики, может показаться темой далекого будущего. Строительные работы на Земле ассоциируются у нас с созданием долговременных сооружений различного назначения, размеры которых значительно превышают размеры человеческого тела (строительство зданий, мостов, дорог и т. д.). Подобное соотносится с будущим освоением космоса, предначертанным К. Э. Циолковским, предсказавшим, что «жилища и все принадлежности к ним должны доставляться ракетами с Земли в сложенном (компактном) виде и собираться в эфире по прибытии на место».

Такое направление освоения космоса хорошо мам знакомо по успешно проводившимся сейчас космическим экспериментам, которые направлены на создание в будущем больших орбитальных станций и производственных комплексов многоцелевого назначения. Еще в 1969 г. во время совместного полета кораблей «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8» В. Н. Кубасов выполнил первые эксперименты по сварке в космосе. В 1983 г. успешно прошел испытания в составе орбитального пилотируемого комплекса вместе со станцией «Салют-7» и кораблем «Союз Т-9» тяжелый корабль-спутник «Космос-1443», прообраз будущих модульных конструкций. Да и сама связка «Союз» – «Салют» – «Прогресс» предваряет собой создание будущих многозвенных орбитальных комплексов различного назначения.

Однако было бы неверным ограничивать тему строительства в космосе только рамками создания будущих «эфирных городов» или базовых поселений человека на Луне и планетах. Ведь термин «строительство» употребляют и при изготовлении кораблей, самолетов и других транспортных средств, а также при сооружении различного вида наземных станций (в том числе и полностью автоматизированных). И хотя, казалось бы, в настоящее время космические аппараты (пилотируемые корабли и орбитальные станции, спутники и автоматические аппараты для полета к Луне и планетам) выводятся в космос уже готовыми для выполнения своих функций, это не совсем так.

Дело в том, что выполняемый с помощью космических аппаратов объем задач (все более возрастающий в настоящее время) ограничен массогабаритными характеристиками, которые зависят от возможностей ракет-носителей. Эту проблему решают и довольно успешно различными способами, и, в частности, использование грузовых транспортных кораблей «Прогресс», помимо прочего, позволяет в значительной степени увеличить объем и продолжительность комплексных исследований, проводимых на борту орбитальных космических станций «Салют». Решению проблемы способствует и применение надувных и тонкопленочных конструкций, а также механических конструкций, развертываемых непосредственно в космосе. Последнее может осуществляться либо автоматически (как по команде с Земли, так и по программе, заложенной в память бортовых ЭВМ), либо с участием космонавтов (подобно случаю с установкой радиотелескопа КРТ-10 во время полета комплекса «Салют-6»– «Союз-34»).

Но тогда получается, что в окончательном виде строительство таких сложных и долговременных конструкций, какими являются космические аппараты, завершается непосредственно в космосе. И в этом смысле под строительством в космосе можно понимать подготовку к работе на орбите любого космического аппарата, который, будучи вначале в компактном (сложенном) виде, затем автоматически развертывает панели своих солнечных батарей, имеющие порой размах до 20 м, вытягивает во все стороны «усы» радиоантенн широкого обзора и штанги с различной аппаратурой, достигающие длины 20 м, раскрывает чаши радиоантенн узкого обзора диаметром до 10 м и т. д. Правда, правомочность такого обобщения весьма дискуссионна (хотя и не лишена оснований), но использование понятия «строительство в космосе» вполне допустимо по отношению к так называемым крупногабаритным космическим конструкциям различного назначения.

Действительно, уже сейчас имеется ряд насущных задач освоения космоса, для решения которых необходимы сооружения, своими габаритами существенно превышающие размер грузовых контейнеров современных ракет-носителей. В результате сборку и даже изготовление отдельных элементов подобного рода сооружений приходится производить непосредственно в космическом пространстве. Причем к крупногабаритным космическим конструкциям можно отнести не только многозвенные, модульного типа орбитальные комплексы (а в будущем и более сложные сооружения типа спутниковых солнечных электростанций и научно-производственных баз на Луне и планетах), но и отдельные элементы и устройства космических аппаратов, также обладающие достаточно большими размерами.

В предлагаемой читателю брошюре мы как раз и рассмотрим конструктивные особенности, технологию изготовления и монтажа, выбор материалов и другие вопросы строительства в космосе крупногабаритных конструкций. Но прежде чем перейти к этому, выясним сначала, что они, собственно, представляют собой и каково их назначение, требующее применения конструкций столь огромных размеров. И здесь необходимо вспомнить, какие функции выполняют как сами космические аппараты, так и отдельные их приборы и системы.

ОБЪЕКТЫ КОСМИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В БЛИЖАЙШИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ

Естественно, что освоение космоса прежде всего предопределяется использованием космических средств для практических земных нужд человека, и это направление космонавтики останется основным в течение ближайших десятилетий. Сюда относятся и наблюдения поверхности Земли с помощью космических аппаратов в различных диапазонах электромагнитного излучения. Такие наблюдения нужны метеорологам и гидрологам (при определении состояния облачности, зон зарождения циклонов, границ таяния снегов и т. д.), агрономам (при оценке вероятности урожаев сельскохозяйственных культур, при определении времени их созревания и т. д.), геологам (при анализе глобальных геологических структур с целью предсказания залежей полезных ископаемых) и т. д.

При этом традиционные методы наблюдений в видимом (оптическом) диапазоне сейчас расширяются за счет использования радиодиапазона. Для радиоволн облака не являются препятствием, а, кроме того, благодаря большей проникающей способности радиоволн можно измерять температуру подпочвенных слоев и наблюдать геологические образования на глубинах до нескольких сотен метров. Применение достаточно крупных радиоантенн на борту космических аппаратов позволит определять и влажность почвы при прогнозировании урожаев, и температуру морской воды, и скорость ветра, и даже глубину снежного и ледяного покровов.

В последнее время большое значение придается использованию систем искусственных спутников Земли для нужд связи, телевещания, навигации, определения координат терпящих бедствие судов и самолетов и т. д. Примечательно, что в Советском Союзе первыми в мире стали действовать эксплуатационные национальные системы спутниковой связи («Орбита») и непосредственного телевещания на абонентские приемные устройства («Экран»), а также были запущены первые экспериментальные спутники («Космос-1383» и «Космос-1447») для международной спутниковой системы поиска и спасения терпящих бедствие судов и самолетов КОСПАС – САРСАТ.

Это направление развития космонавтики в первую очередь связано с усовершенствованием бортового радиооборудования космических аппаратов (спутников). А использование в перспективе больших бортовых антенн-ретрансляторов позволит не только значительно увеличить количество каналов связи, но и применять подобные спутниковые системы для таких целей, как контроль за грузоперевозками, оперативная передача почтовых сообщений, индивидуальная космическая радиосвязь и т. д.

Большие радиоантенны понадобятся и на борту будущих орбитальных космических станций, скажем, для более высококачественной ретрансляции сигналов на Землю от космических аппаратов, обследующих далекие области Солнечной системы. Вообще говоря, при изучении далеких объектов Солнечной системы (планет, их спутников, комет) в непосредственной близости от них космических аппаратов становится важной проблема высокоскоростной передачи телеметрической информации на Землю, а это также связано с применением достаточно больших бортовых радиоантенн.

Изучение астрономических объектов всегда занимало значительное место в научных исследованиях, проводимых с помощью космических аппаратов. Поскольку же информация об объектах, находящихся за пределами Солнечной системы (звездах, пульсарах, галактиках, квазарах), сосредоточена в их электромагнитном излучении, то основными приборами всех астрономических спутников являются всеразличные устройства для приема этого излучения.

Здесь надо сказать, что земная атмосфера непрозрачна для большинства диапазонов спектра электромагнитного излучения. Даже в традиционном оптическом диапазоне, астрономические наблюдения в котором насчитывают несколько тысячелетий, атмосфера Земли представляет собой существенную помеху, поскольку турбулентные движения воздуха искажают изображение и ограничивают угловое разрешение наблюдаемых объектов. Поэтому существенный прогресс в астрономических исследованиях достигается при вынесении инструментов за пределы земной атмосферы.

Применение для этих целей более крупных радио- и оптических телескопов, естественно, повышает ценность подобных наблюдений. Кроме того, радиоастрономическим наблюдениям с очень высоким угловым разрешением способствует создание космических радиоинтерферометров, т. е. систем из двух или более радиотелескопов с одним или двумя из них, находящимися в космосе. Особое значение приобретает и использование гамма- и рентгеновских телескопов, причем и для этих инструментов чем больше принимающая поверхность, тем продуктивнее наблюдения астрономических объектов этого диапазона.

Итак, различные направления космических исследований требуют оснащения космических аппаратов разного рода устройствами, принимающими электромагнитное излучение. Эффективность работы этих инструментов (главным образом чувствительность и угловое разрешение) повышается с увеличением площади приемных элементов. Однако изготовление высококачественных зеркал для оптических телескопов непосредственно на орбите представляет собой пока неразрешимую проблему¹, тогда как сборка даже крупных радиоантенн в космосе является вполне достижимой реальностью. Поэтому именно радиоантенны станут на ближайшее время самыми распространенными и в то же время доступными в реализации крупногабаритными элементами космических аппаратов самого различного назначения.

¹ Правда, в последнее время в печати широко стали обсуждаться проекты наземных многозеркальных оптических телескопов общим диаметром до 25 м и более. Неким прообразом здесь служит 10-метровый оптический телескоп в Аризоне, используемый в основном для наблюдений оптических вспышек, вызываемых в атмосфере гамма-излучением сверхвысоких энергий от космических источников. Возможно, в будущем и космические многозеркальные (мозаичные) оптические телескопы найдут свое применение, но пока по своей эффективности однозеркальные телескопы значительно превосходят многозеркальные.

Рис. 1. Минимальная длина волны и диаметр зеркала для космических антенн различного назначения (1 – радиоастрономия, 2 – интерферометрия, 3 – радиометрия, 4 – космические ретрансляторы, 5 – передача энергии в спутниковых солнечных электростанциях, 6 – поиск внеземных цивилизаций)

На рис. 1 приведены основные параметры космических радиоантенн в зависимости от их предназначения, откуда видно, что использование таких антенн на орбите искусственного спутника Земли весьма перспективно при размерах антенн более 30 м. На сегодняшний день было предложено достаточно много проектов больших космических радиоантенн для различных областей применения, в том числе для радиосвязи, навигации, изучения Земли из космоса и астрономических исследований. Причем конструктивные особенности, технология изготовления и другие подобные проблемы во многом решаются сейчас с учетом имеющихся современных бортовых радиоантенн, которые хотя и меньше по своим размерам, но все же достаточно велики (до 10 м).

Однако у читателя может сложиться впечатление, что космические антенны будут чуть ли не единственными крупногабаритными элементами космических аппаратов в ближайшие десятилетия. Это далеко не так. Среди рассмотренных приемных устройств весьма внушительные размеры будут и у гамма- и рентгеновских телескопов, имеющих, правда, слишком узкую область применения. Но есть в составе почти каждого космического аппарата элементы, эффективность работы которых также в значительной мере зависит от размеров. Речь идет о солнечных батареях, обеспечивающих необходимое энергопитание систем космических аппаратов и имеющих уже сейчас полезную площадь около 40 м², а длину развернутых панелей – до 20 м.

В современных и проектируемых космических аппаратах развертывание солнечных батарей различного типа (панельного, рулонного и т. д.) происходит автоматизировано. Однако строительство на орбите достаточно больших крупногабаритных солнечных батарей потребует и непосредственного участия человека. С этой точки зрения весьма многообещающими представляются работы советских космонавтов в конце 1983 г. и в 1984 г. по установке дополнительных солнечных батарей в открытом космосе для орбитальной станции «Салют-7».

Примечательно, что оба типа крупногабаритных конструкций (радиоантенны и солнечные батареи) являются основными элементами будущих спутниковых солнечных электростанций, проекты которых интенсивно обсуждаются в научной литературе. Об этих космических сооружениях уже неоднократно говорилось на страницах брошюр данной серии (см., например: Худяков С. А. Космические энергоустановки. М., 1984). Напомним здесь лишь размеры основных элементов спутниковых электростанций: площадь солнечных батарей около 100 км², диаметр антенны СВЧ-излучения для передачи энергии на Землю около 1 км.

Реализация проектов спутниковых солнечных электростанций станет возможной не ранее чем в следующем веке, так же как и осуществление других грандиозных проектов, подобно выводу на орбиту гигантских зеркал для непосредственного отражения энергии солнечного излучения на Землю. Однако, может, уже на рубеже XX и XXI вв. в космосе начнут функционировать экспериментальные автоматизированные комплексы по производству различных веществ и материалов. Технологические эксперименты являются сейчас неотъемлемой частью исследований, проводимых советскими космонавтами на борту научно-исследовательского комплекса «Салют» – «Союз». Теперь дело за созданием на орбите вокруг Земли автоматизированных космических заводов промышленного значения.

Космические сооружения типа спутниковых солнечных электростанций, орбитальных заводов, а также, скажем, космических верфей для сборки и старта космических кораблей хотя и не требуют непосредственного участия человека на своем борту, но предусматривают работу космонавтов при своей сборке, наладке, регламентных работах и ремонте. Иначе говоря, их строительство, так же как и больших орбитальных научных станций, уже невозможно без соответствующих строительных работ с участием специально подготовленных космонавтов-строителей.

Естественно, технология изготовления всех этих космических сооружений следующего века намного сложнее, чем при развертывании в космосе крупногабаритных конструкций типа радиоантенн и солнечных батарей. Тем не менее строительство в космосе тех и других охватывает значительный круг общих проблем (конструктивные особенности, технология строительства, строительные материалы и т. д.), поэтому рассмотрение в последующих разделах вопросов строительства космических антенн, а также других крупногабаритных космических конструкций ближайшего будущего так или иначе затрагивает вопросы строительства в космосе более масштабных сооружений следующего века.

ТИПЫ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Создание и эксплуатация космических крупногабаритных конструкций производятся в условиях, существенно отличающихся от наземных. И поэтому основные конструктивные принципы и технология, которые предполагается использовать для этих целей, также отличаются от наземных. Правда, в созданных и разрабатываемых космических сооружениях в большинстве случаев, как и в наземном строительстве, применяются механические конструкции.

Возможно, это объясняется инерционностью мышления и сравнительно сжатыми сроками для разработки крупногабаритных космических конструкций. Традиции наземного строительства складывались тысячелетиями, а космическое строительство насчитывает всего лишь несколько десятилетий (если отправной точкой считать запуск первого спутника). Кроме того, как известно, при проектировании всегда легче известные решения привязывать к новым условиям, чем разрабатывать принципиально новые решения, лучше соответствующие этим условиям.

В общем же случае разрабатываемые в настоящее время космические крупногабаритные сооружения по конструктивным принципам своего построения можно разделить на следующие типы:

механические конструкции, в которых сохранение заданной формы как в процессе формирования, так и в период функционирования обеспечивается за счет жесткости элементов каркаса;

пневматические (надувные) конструкции, раскрытие которых, а также сохранение формы происходит за счет избыточного внутреннего давления;

центробежные системы, раскрытие которых и поддержание формы осуществляются за счет центробежных сил, возникающих при вращении конструкции вокруг центра масс;

электростатические конструкции, где поддержание формы происходит за счет электростатических (или магнитных) сил.

Возможны и комбинации этих типов, как и появление в будущем принципиально новых конструктивных решений.

Все космические конструкции заметно отличаются по методам их создания. Здесь допустима классификация конструкций по следующим группам: целиком изготавливаемые на Земле и выводимые на орбиту уже в готовом виде; целиком изготавливаемые на Земле, но доставляемые на орбиту в сложенном виде и автоматически разворачивающиеся при достижении заданной орбиты; собираемые на орбите из доставленных с Земли готовых элементов или их полуфабрикатов; создаваемые на орбите из доставленных туда сырых материалов.

До недавнего времени в основном использовали конструкции первой группы, которые достаточно подробно освещались в научно-популярной литературе (см., например: Попов Е. И. Автоматические космические аппараты. М., 1984). Но в последние годы на борту космических аппаратов находились радиоантенны, конструктивно относящиеся уже ко второй группе.

Механические конструкции космических антенн. Большинство разработанных и проектируемых космических антенн относятся к так называемому зеркальному типу. Они достаточно универсальны, и их конструкция е техническом отношении более подходит для космических условий. В таких антеннах принимаемое радиоизлучение собирается в фокальную зону при помощи главного зеркала параболической или сферической формы. Отраженный главным зеркалом поток радиоизлучения попадает затем в приемное устройство либо непосредственно (однозеркальная система), либо после переотражения от вторичного зеркала меньшего размера (двухзеркальная система). Приемное устройство или вторичное зеркало размещается в фокальной зоне, соединяясь с главным зеркалом посредством механических опор.

Почти все уже использовавшиеся в космосе автоматически раскрывающиеся зеркальные антенны были зонтичного типа. Их зеркальную часть составляют радиально расположенные ребра жесткости, к которым прикреплена отражающая поверхность, изготовляемая из растягиваемых металлизированных пленок, тканей или сеток. По-видимому, зонтичная конструкция является оптимальной для небольших бортовых антенн, причем работающих только на достаточно длинных волнах. Последнее связано с тем, что, как показывают расчеты, отклонения реальной отражающей поверхности от теоретической здесь велики.

Наибольшая по размеру и наиболее интересная по конструктивному решению антенна зонтичного типа была установлена на американском спутнике «АТС-6». Зеркало этой антенны в сложенном виде имело диаметр 2,5 м, в развернутом – 9,1 м, Оно было жестким в своей центральной части (размером 2,2 м), к которой были присоединены 48 гибких ребер, растягивающих отражающую поверхность из металлизированного дакрона. Ребра из высокопрочного алюминиевого сплава представляли собой в сечении незамкнутый тонкостенный эллипс, а при складывании разворачивались так, что их поперечные сечения становились отрезками прямой линии и в такой форме ребра наматывались на жесткую центральную часть антенны.

Приемная система антенны в фокусе зеркала, расположенная в контейнере, крепилась к зеркалу при помощи нескладывающейся ферменной опоры.

К недостаткам космических антенн этого типа относят сравнительно низкую жесткость зеркала и большие отклонения реальной поверхности от теоретической. В этих антеннах натянутый между ребрами материал располагается по цилиндрической поверхности, и отклонения от теоретически заданной формы зеркала растут с увеличением расстояния между ребрами. В настоящее время проектируется космическая антенна зонтичного типа диаметром 30 м, и, видимо, этот размер близок к предельному для подобных конструкций. Поскольку же эффективность работы антенн зонтичного типа достигается лишь при условии D/λ ≤ 200 (здесь λ – длина волны, D – диаметр антенны), то, следовательно, минимальная рабочая длина волны для антенны диаметром 30 м составит 15 см.

Характерные для антенн зонтичного типа недостатки могут быть в существенной мере устранены в конструкциях типа пространственно стержневых ферм. В частности, широкое распространение получили так называемые двухсетчатые конструкции – структурные фермы, состоящие из двух сетчатых (ячеистых) куполов, соединенных между собой жесткими диагональными стержнями одинаковой длины. Сами же купола составлены из таких же жестких стержней, но с подпружинными шарнирами посередине, позволяющими им сгибаться. Так, например, в антенне с куполами из треугольных ячеек (рис. 2) в каждом узле каркаса будут сходиться шесть ломающихся и три диагональных стержня.

Рис. 2. Схема конструкции типа пространственно стержневых ферм с двумя куполами из треугольных ячеек: 1 – ломающиеся стержни, 2 – диагональные стержни, 3 – узлы каркаса

К узлам каркаса стержни крепятся посредством цилиндрических шарниров. При складывании каркаса ломающиеся стержни сгибаются посередине и одновременно проворачиваются в шарнирах. Диагональные же стержни становятся вертикально, также проворачиваясь в этих узлах. В результате узлы сближаются и каркас укладывается в компактный пакет.

К узлам рабочей сетки каркаса крепится отражающая поверхность, обычно изготавливаемая из металлической сетки. В нашем случае с треугольными ячейками (см. рис. 2) такая отражающая поверхность представляет собой систему плоских треугольников. Причем по радиотехническим требованиям сторона треугольника не должна превышать величину (D/λ)^1/2. В зависимости от значения отношения D/λ и условий эксплуатации диаметр зеркала в сложенном виде в 10 – 40 раз меньше, чем в раскрытом.

Конструкции пространственно стержневых ферм прошли соответствующую отработку в наземных условиях. В частности, 5-метровая складная антенна подверглась полному курсу механических и радиотехнических испытаний, которые показали хорошую работоспособность и высокую надежность такой конструкции. По-видимому, можно ожидать, что в ближайшее время они начнут работать и в космических условиях.

Космический радиотелескоп КРТ-10. В последние годы разработана модификация, несколько улучшающая некоторые характеристики космических антенн только что рассмотренного типа. Основу этой модификации составила замена всех ломающихся стержней натянутыми гибкими тросиками. При этом общая геометрическая разбивка конструкции антенны может оставаться той же, что и в ранее рассмотренном случае (рис. 3).

Рис. 3. Схема конструкции космической антенны с гибкими тросиками

Раскрытие каркаса и натяжение гибких нитей в этих антеннах происходят за счет пружин, установленных в узлах верхней и нижней сеток. В состав механизма раскрытия входят жестко закрепленная в узле каркаса направляющая, а также перемещающаяся вдоль нее под действием пружины втулка и три вспомогательных стержня, шарнирно соединенных с втулкой и тремя диагональными стержнями. При раскрытии антенны пружина перемещает втулку с вспомогательными стержнями вдоль направляющей и раздвигает диагональные стержни.

Такой тип конструкции космических антенн довольно прост в изготовлении, требуемая же кривизна отражающей поверхности обеспечивается подбором соответствующих длин для гибких тросиков. Конструкция с гибкими элементами допускает и более компактную укладку (правда, и деформируемость ее больше).

Рассматриваемую конструкцию имела 5-метровая антенна, которая прошла отработку в наземных условиях, и 10-метровая антенна, испытанная вначале в наземных условиях, а затем установленная на орбитальной станции «Салют-6». Этот 10-метровый космический радиотелескоп (КРТ-10) был доставлен на станцию в июле 1979 г. с помощью грузового транспортного корабля «Прогресс-7». Причем вследствие малого объема, выделенного в «Прогрессе-7» для КРТ-10, последний был разбит на три отдельных блока: главное зеркало, фокальный контейнер с облучателем и тремя раздвижными опорами и механизм крепления антенны к станции.

Главное зеркало КРТ-10 представляло собой шестиугольную высечку из параболоида вращения. Каркас зеркала состоял из диагональных стержней (из алюминиевых сплавов) сечением 6 × 12 мм и тросиков диаметром 1 мм. Узлы были выполнены из алюминиевых сплавов, а пружины – из высокопрочных сталей. В качестве отражающей поверхности использовалось специально разработанное трикотажное сетчатое полотно из металлических проволочек диаметром 50 мкм. Масса зеркала составляла 65 кг, и в сложенном виде оно представляло собой шестиугольную призму с максимальным размером у основания 0,5 м и общей длиной 0,9 м.

На корпусе были укреплены облучатели антенны: четыре рупора для работы на длине волны 12 см и спиральный для работы на длине волны 72 см. На нем же размещался фокальный контейнер, внутри герметичного отсека которого находились высокочастотные усилители радиометров и система терморегулирования. Фокальный контейнер соединялся с зеркалом при помощи трех раскладных опор. В развернутом виде каждая опора представляла собой трехгранную форму длиной 5 м (в сложенном виде длина опоры составляла 27 см). Масса опор была около 7 кг.

Вдоль опор и к центру конструкции каркаса располагались кабели, соединяющие аппаратуру фокального контейнера и некоторые датчики, находящиеся на антенне, с установленной в рабочем отсеке аппаратурой (низкочастотными блоками радиометров, блоком времени и пультами управления). Общая масса КРТ-10 равнялась 300 кг.

Советские космонавты В. А. Ляхов и В. В. Рюмин провели стыковку и монтаж всех блоков КРТ-10, укрепили его на переходном люке станции, а также предварительно проверили взаимодействия его элементов. 18 июля 1979 г. грузовой транспортный корабль «Прогресс-7» отошел от станции, после чего радиотелескоп КРТ-10 автоматически был выдвинут и раскрыт. После ввода его в действие были произведены юстировка (привязка лучей антенны к осям станции «Салют-6») и снятие диаграмм направленности.

Эти измерения проводились в процессе поворотов всей станции. Они осуществлялись при регистрации радиоизлучения Крабовидной туманности (источника Кассиопея А), Солнца и наземного радиоисточника. Результаты измерений оказались близкими к расчетным. В процессе работы KPT-10 выполнялись астрофизические и геофизические исследования. Интересно отметить и наблюдения действовавшего в то время вулкана Этна.

Функционирование аппаратуры КРТ-10 продолжалось до 9 августа, когда было произведено отделение космического радиотелескопа от станции «Салют-6». Причем в процессе отделения четыре тросика зацепились за выступающую часть станции, и космонавтам пришлось выйти в открытый космос и перерезать их.

Перспективы развития механических конструкций. Теоретические и экспериментальные исследования космических антенн, имеющих конструкцию типа пространственно стержневых ферм, показали, что они вполне надежны и отвечают всем эксплуатационным требованиям. Подобные конструкции космических антенн обладают достаточной жесткостью и могут обеспечить точность выдерживания формы отражающей поверхности, необходимую для работы в сантиметровом диапазоне. Расчеты показывают, что отношение массы космической антенны к площади раскрыва зеркала для конструкций пространственно стержневых ферм в зависимости от условий эксплуатации варьирует от 0,2 до 1,0 кг/м².

Тенденция развития космических антенн такова, что в будущем потребуются как можно бóльшие антенны, работающие на более коротких волнах. Однако максимальный размер автоматически раскрывающихся космических антенн сантиметрового диапазона не может превышать 200 м, а для космических антенн миллиметрового диапазона максимальный размер самораскрывающихся конструкций и еще меньше. Дело в том, что в последнем случае уже сильно сказываются как ошибки изготовления и деформация каркаса, так и механические свойства отражающей поверхности зеркала, изготовленной из сеток или пленок.

Этого, правда, можно избежать, если отражающую поверхность изготавливать из достаточно жестких щитов с точностью отклонений реальной поверхности от теоретической порядка 0,05 мм. Причем размеры щитов, определяемые массогабаритными возможностями используемых транспортных ракетно-космических средств, по-видимому, не смогут превысить несколько метров (по оценкам 4,5 – 5,0 м). К сожалению, подобную конструкцию космических антенн уже трудно изготовить автоматически раскрывающейся, поэтому сооружение коротковолновых космических антенн даже при размерах зеркала 20 – 30 м потребует проведения монтажных операций на орбите с участием людей (рис. 4).

Рис. 4. Монтаж космической антенны размером 30 м для работы в коротковолновом диапазоне

Объем этих монтажных работ можно существенно уменьшить, поскольку при размерах зеркала меньше 200 м сам каркас можно сделать автоматически раскрывающимся. Кроме того, установка щитов на каркас может производиться при помощи специально сконструированных автоматов, управляемых людьми. Размеры ячеек каркаса должны соответствовать размерам щитов, а сами щиты, выполненные, скажем, в виде шестиугольной высечки из параболоида вращения, будут крепиться в трех точках к узлам каркаса.

Основная трудность при строительстве таких крупногабаритных коротковолновых космических антенн заключается в том, что деформация каркаса существенно превышает допуск на точность отклонения реальной отражающей поверхности от теоретической, и поэтому требуется автоматическая регулировка. Система такой регулировки должна включать в себя логический блок, средства контроля и компенсации ошибок. Последняя может осуществляться путем перемещения щитов по отношению к каркасу, для чего каждый щит крепится к каркасу при помощи трех шпилек, перемещающихся по нормали к отражающей поверхности. В настоящее время разработаны так называемые линейные двигатели, способные обеспечить перемещения до долей микрометра, но важной проблемой остается достаточно оперативный контроль поверхности.

При строительстве космических антенн, размеры которых превышают 200 м, а сейчас имеется потребность в антеннах размером 1 км и более (скажем, для спутниковых солнечных электростанций), уже необходимо проводить сборку и несущего каркаса. Причем для сборки каркаса можно использовать складные, автоматически раскрывающиеся модули, что позволит свести до минимума монтажные операции на орбите. Кроме того, такой способ монтажа космических антенн дает возможность наращивать уже работающую антенну. Прогноз развития ракетно-космических транспортных средств указывает, что размер этого стандартного модуля будет около 200 м. Согласно оценкам каркас рассматриваемого модуля, выполненный в виде пространственно стержневой конструкции и изготавливаемый из композиционных материалов, может иметь массу около 4 т.

Максимальный размер космической антенны, которая может быть собрана на орбите из модулей данного типа, определяется жесткостью и массой модуля, а также условиями эксплуатации. Максимальная же жесткость при заданной массе устанавливается наибольшей строительной высотой конструкции. Опять же исходя из прогнозируемых возможностей ракетно-космических транспортных средств, строительную высоту рассматриваемой конструкции типа пространственно стержневых ферм оценивают в несколько метров (10 м при размерах стержня 15 м).

Вообще говоря, для каждой определенной орбиты имеется свой максимальный размер космической антенны, поскольку увеличение диаметра зеркала связано с резким возрастанием массы конструкции. Так, например, расчеты показывают, что, скажем, на геостационарной орбите максимальный диаметр зеркала космической антенны составляет около 10 км.

Другие типы конструкций космических антенн. Итак, механические конструкции позволяют осуществлять строительство в космосе достаточно жестких и точных каркасов для антенных сооружений. И хотя они относительно массивны, а технология их изготовления и сборки на орбите довольно сложна, в ближайших десятилетиях, по-видимому, большая часть космических антенн будет создаваться на базе механических конструкций. Однако были рассмотрены проекты и других типов конструкций для космических антенн.

Центробежные конструкции. В последние годы появилось много проектов, в которых форма космических антенн поддерживается за счет центробежных сил. Дело в том, что поскольку в космосе отсутствуют силы сопротивления, то там достаточно легко поддерживать постоянную скорость вращения тел. Кроме того, температурные деформации в таких конструкциях существенно меньше, чем в механических, так как из-за вращения конструкция будет более равномерно прогреваться солнечными лучами.

Каркас космической антенны рассматриваемого типа может быть выполнен в виде сетки из гибких нитей, имеющей радиально-кольцевую разбивку (рис. 5). Сосредоточение массы приходится на узлы соединения нитей, каркас прикрепляется к центральной штанге. Все узлы каркаса размещаются на параболоиде вращения, и к этим узлам крепится отражающая поверхность. Причем ее центральная часть должна раскрываться в виде конуса, тогда как остальная часть – в виде параболоида вращения. По краю всей антенны, а также в месте сочленения конуса и параболоида пропускаются гибкие тросики.

Рис. 5. Схема центробежной конструкции с гибкими нитями

Вращающиеся конструкции космических антенн допускают очень компактную укладку и позволяют создавать достаточно легкие зеркала при отношении массы антенны к площади раскрыва зеркала 0,20 – 0,50 кг/м². Подобные конструкции могут быть использованы для космических антенн очень больших размеров, и сейчас рассматривается проект создания космической антенны диаметром 2 км для работы в метровом диапазоне. Однако при разработке вращающихся конструкций для космических антенн возникает ряд серьезных проблем, решение которых весьма затруднительно.

Среди этих проблем создание необходимых двигателей, редукторов и подшипников для длительной работы в условиях открытого космического пространства, а также разработка систем, которые обеспечивали бы синхронное раскрытие конструкции и предотвращали запутывание тросов. Жесткость вращающейся конструкции и достижимая точность отражающей поверхности существенно ниже, чем в механических конструкциях. Большие сложности возникают при решении вопросов изготовления элементов как в наземных условиях, так и непосредственно на орбите.

Дело в том, что такие конструкции очень чувствительны к технологическим неточностям изготовления – технологические ошибки в них приблизительно на порядок больше, чем в механических конструкциях. Кроме того, при наземной отработке для таких систем очень трудно применить системы обезвешивания из-за наличия сил сопротивления воздуха и сил тяжести. На орбите добавляются еще и ошибки, вызываемые биением центральной оси конструкции вследствие неуравновешенности ее массы.

Определенные трудности, по-видимому, возникнут и при управлении космическими антеннами вращающейся конструкции в связи с наличием гироскопических эффектов.

Надувные конструкции. В последние годы появился ряд проектов космических антенн, в которых предусматривалась надувная конструкция. Каркас такой антенны может быть выполнен в виде надувного тора, к которому крепятся отражающая и вспомогательная поверхности, изготовленные из синтетических пленок (рис. 6). Обе поверхности при этом образуют замкнутый объем, создание в котором избыточного давления обеспечивает натяжение поверхностей. Облучающее устройство крепится к тору с помощью системы оттяжек.

Рис. 6. Схема надувной конструкции космической антенны

К отражающей поверхности, изготовленной из металлизированной пленки и имеющей форму параболоида вращения или сферы, для поддержания геометрических размеров и уменьшения температурных деформаций можно прикрепить сетку из кварцевых нитей. В этом случае основная точность будет обеспечиваться именно этой сеткой. При растянутой сетке искажения отражающей поверхности вследствие технологических ошибок изготовления должны иметь тот же порядок, что и во вращающихся конструкциях.

Надувные конструкции космических антенн обусловливают их очень компактную укладку и характеризуются небольшим отношением массы конструкции к площади раскрыва зеркала, равным от 0,15 до 0,25 кг/м². Но при изготовлении надувных конструкций возникают технологические трудности, связанные с тем, что каркас имеет замкнутые полости, поэтому швы обязаны обеспечивать высокую герметичность. А при эксплуатации космической антенны подобной конструкции должны точно выдерживаться соотношения давлений внутри тора и внутри основного объема антенны.

Основным недостатком надувных космических антенн является то, что при пробивании их метеороидными телами они теряют работоспособность. Однако надувные конструкции космических антенн, возможно, в будущем найдут широкое применение, если будут разработаны и созданы вспенивающиеся и самозатвердевающие материалы с подходящими характеристиками.

Электростатические конструкции. Недавно были предложены конструкции космических антенн, которые практически лишены недостатков надувных конструкций, сохраняя при этом все их достоинства. Поддержание формы в них происходит за счет сил взаимодействия электростатических зарядов. Причем оценки энергетических затрат на поддержание электростатических зарядов показывают, что более экономичной оказывается дипольная схема, в которой на взаимодействующие поверхности нанесены заряды разных знаков. И весьма заманчиво в подобных конструкциях создавать зеркала без жестких элементов, что делало бы их простыми в изготовлении, легкими и способными очень компактно укладываться.

Однако силы взаимодействия электростатических зарядов невелики и убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими поверхностями с нанесенными на них зарядами. Проведенные исследования показывают, что при реально достижимых в настоящее время потенциалах порядка 10⁶ В максимальный размер сферических и эллиптических космических антенн такой конструкции не превысит 20 м. Для создания же космических антенн большего размера необходимо применить жесткое кольцо, к которому прикреплена отражающая поверхность из металлизированной пленки или металлической сетки (раскроенная в виде параболоида вращения или сферы).

За отражающей поверхностью можно разместить вспомогательную коническую поверхность из металлизированной пленки, наносимой отдельными участками, разделенными радиальными и кольцевыми просветами. Причем на отражающую поверхность подается заряд одного знака, а на вспомогательную – другого, так что, протягиваясь друг к другу, поверхности будут растягиваться. В принципе точность отражающей поверхности в данном случае того же порядка, что и в надувной конструкции, однако при наличии систем, контролирующих точность поверхности, очень просто осуществлять ее регулирование. Для этой цели на каждом участке вспомогательной поверхности можно изменять заряд таким образом, чтобы деформации, вызванные изменением электростатических сил, компенсировали искажения формы поверхности.

Обе поверхности могут крепиться к одному кольцу жесткости, но при этом, как показывают расчеты, чтобы они не соприкасались, ширина кольца должна составлять 0,050 – 0,075 диаметра антенны. Допустима конструкция и с двумя кольцами жесткости (скажем, складными), соединенными между собой растяжками (рис. 7). Облучающее устройство может крепиться на штанге, один конец которой упирается в вершину конической поверхности, а другой – раскреплен оттяжками к этому кольцу жесткости.

Рис. 7. Схема электростатической конструкции; 1 – отражающая поверхность, 2 – вспомогательная поверхность, 3 – облучатель, 4 – штанга, 5 – кольцо жесткости, б – растяжки, 7 – валки, 8 – электроды

Существуют определенные соотношения между точностью изготовления отражающей поверхности, количеством изолированных участков на вспомогательной поверхности и минимальной длиной волны. С учетом этих соотношений в настоящее время разработана космическая антенна диаметром 30 м для работы в сантиметровом диапазоне, обсуждаются проекты космических антенн для миллиметрового диапазона и делаются попытки разработать даже оптические антенны подобной конструкции. Следует сказать, что из-за наличия колец жесткости плотность укладки космических антенн рассматриваемого типа будет почти такой же, как и у механических конструкций, но отношение массы антенны к площади раскрыва зеркала несколько меньше – порядка 0,2 – 0,6 кг/м².

При создании космических антенн электростатической конструкции также необходимо решить много вопросов как по технологии изготовления поверхностей, так и по контролю отражающей поверхности и ее регулированию. Однако конструкции этого типа считаются более перспективными, чем вращающиеся или надувные. Максимальный же размер космических антенн как электростатического, так и механического типа равняется около 200 м.

Конструкции солнечных батарей. О солнечных батареях, использующихся в космических аппаратах, неоднократно рассказывалось на страницах брошюр этой серии (см., например: Иосифьян А. Г. Электротехника в космосе. М, 1979; Худяков С. А. Космические энергоустановки. М., 1984). Поэтому рассмотрим здесь их вкратце и только с точки зрения конструктивных особенностей.

В принципе солнечные батареи космических аппаратов могут иметь все типы конструкций, которые ранее перечислялись для крупногабаритных сооружений. Однако создание солнечных батарей на базе конструкций, в которых форма поддерживается за счет электростатических сил, сопряжено с громадными трудностями, в частности в связи с возможностью электростатического пробоя. Разрабатываемые сейчас конструкции солнечных батарей в основном относятся к механическим, хотя предложено много проектов, базирующихся на пневматическом (надувном) или центробежном типе конструкций.

В настоящее время в космосе обычно применяются автоматически раскрывающиеся солнечные батареи панельного типа, т. е. являющиеся разновидностью механических конструкций. Большое внимание привлекает к себе применение в космонавтике автоматически раскладываемых или развертываемых гибких (в частности, рулонных) солнечных батарей. Их конструкция может быть самой различной, имеются проекты подобных батарей и механического, и надувного, и центробежного типов.

Применение жестких панелей для сборки (раскладывания) составных солнечных батарей весьма ограничивается (как и в рассмотренном нами ранее случае применения жестких щитов для космических антенн) размерами панелей, определяемыми возможностями ракетно-космических транспортных средств. Преимущество гибких солнечных батарей здесь несомненно, поскольку выведенные на орбиту в очень компактном виде (скажем, в рулонах), они затем с помощью штанг или других приспособлений могут быть разложены на гораздо большую длину на раскладные рамки (механические конструкции) или просто развернутые под действием центробежных сил (центробежные конструкции) и сил внутреннего давления (надувные конструкции). В последнем случае обычно предполагается применять принцип гармошки, но возможны и весьма экзотические решения (например, типа надувного баллона достаточно больших размеров).

Перспективность гибких солнечных батарей связывается также с использованием пленочной подложки толщиной несколько десятков микрометров, на которую крепятся фотопреобразователи. Для современных солнечных батарей панельного типа применяется сотовая листовая подложка из алюминиевого сплава (толщина несущих листов 0,12 – 0,15 мм, толщина сот 4 – 5 мм). В перспективе предполагается создать более облегченные панельные солнечные батареи с подложкой из листового композиционного материала (на основе, скажем, углеродных волокон) и заполнителя из сверхлегкой пленки.

И все же гибкие (рулонные) солнечные батареи с радиационным отверждением пленочного субстрата (подложки) будут, естественно, иметь гораздо меньшую массу, чем солнечные батареи с жесткой несущей конструкцией панельного типа. Однако следует отметить, что создание пленочных фотоэлектрических преобразователей претерпевает ряд затруднений, в связи с чем в настоящее время рассматривается возможность использования для этих целей аморфных монокристаллов. Недостатком гибких солнечных батарей является и их крайне низкая жесткость, поэтому при разработке будущих солнечных батарей часто прибегают к сочетанию различных типов конструкций.

Например, гибкие (рулонные) солнечные батареи могут натягиваться на жесткую конструкцию рамочного (панельного) типа, автоматически развертывающуюся под действием центробежных сил. При этом одна кромка каждой такой гибкой панели может быть жестко связана с боковой стенкой космического аппарата вдоль образующей, которая параллельна оси вращения, тогда как вдоль свободной кромки будут закреплены концевые элементы сосредоточения массы. Возможны и другие варианты, включающие в себя и конструкции пространственно стержневых ферм.

Сооружение гигантских космических солнечных батарей огромной площади, как, например, при создании спутниковых солнечных электростанций, требующих для этих целей площади солнечных батарей около 100 км² (рис. 8), может проводиться лишь при сборочных работах, осуществляемых непосредственно в космосе (в частности, с помощью автоматов). Обычно в проектах спутниковых солнечных электростанций предполагается использовать солнечные батареи на ферменной платформе, каждый элемент которой представляет собой четырехгранную, трехгранную или цилиндрическую (последняя, называемая геодезической балкой) решетчатые конструкции.

Рис. 8. Схема взаимодействия основных элементов спутниковой солнечной электростанции

Соединение ферм между собой может производиться со специальной орбитальной станции, снабженной несколькими манипуляторами, имеющими набор сменных инструментов. Для управления работой такой станции требуется несколько человек, сами же сборочные работы будут осуществляться автоматическими фермопостроителями. Предусматривается и автоматизация необходимых операций по установке собственно солнечных батарей и тепловых двигателей на ферму.

Космические платформы: назначение и конструкции. Как показывают теоретические исследования, использование космических платформ (в частности, на геостационарной орбите) как относительно небольших размеров, так и крупномасштабных, вроде только что рассмотренного варианта для нужд спутниковых солнечных; электростанций, имеет ряд преимуществ перед применением обычных спутников различного назначения. Поэтому в последние годы появилось большое количество проектов многоцелевых космических платформ, которые можно использовать для нужд связи, астрономии, метеорологии, навигации, изучения природных ресурсов и т. д.

Большинство проектов посвящено решению задач связи. Размещение большого количества оборудования на одной космической платформе позволит существенно снизить затраты на создание системы космической радиосвязи.

На таких платформах, помимо основных приборных блоков, должны устанавливаться системы энергопитания, ориентации, стабилизации и терморегулирования. Они могут быть также снабжены причальными устройствами для подхода космических кораблей, герметичными отсеками, приспособленными для посещения их людьми, а кроме того, и манипуляторами и другими устройствами для сборочных и ремонтных работ. Кстати, размещение большого количества различной аппаратуры существенно упрощает проведение регламентных и ремонтных работ.

Конструктивные решения и технология строительства платформ в космосе могут быть различными. Правда, во всех имеющихся проектах используется механический тип конструкции (рис. 9), и в настоящее время даже нет приемлемых идей о создании космических платформ на других принципах. По приведенным оценкам за один запуск на орбиту может выводиться автоматически раскрывающаяся платформа размером 200 × 200 м. Однако для создания космической платформы в целом все равно потребуются сборочные работы на орбите, которые будут во многом автоматизированы.

Рис. 9. Общий вид космической платформы связи

Для космических платформ размером более 500 м выгоднее будет осуществлять сборку несущего каркаса из доставляемых элементов с Земли, поскольку при этом может быть достигнута более компактная укладка элементов платформы и меньшая масса ее конструкции. Последняя, кроме того, сможет несколько упроститься за счет ликвидации в ней подвижных шарнирных соединений. По оценкам специалистов, за один запуск на орбиту могут быть выведены детали для сборки космической платформы размером 1 × 1 км.

В большинстве проектов космических платформ конструкция несущего каркаса относится к типу пространственно стержневых ферм. Конструкции подобного типа имеют высокие прочностные и жесткостные качества при сравнительно небольшой массе. Поскольку же поверхность космической платформы в отличие от космических антенн является, как правило, плоской, то все ломающиеся стержни конструкции обладают одинаковой длиной, а кроме того, одинаковы и все узлы несущего каркаса. Короче говоря, конструкции космических платформ могут собираться из унифицированных элементов (вроде «космического конструктора»).

Для сборки плоских космических платформ требуются два типа стержней и один тип узлов. Стержни могут быть самой различной конфигурации: призматические трехгранные (сплошностенчатые или с сетчатой поверхностью), цилиндрические (тоже сплошностенчатые и сетчатые), конические из двух усеченных конусов (вкладывающихся друг в друга для более компактной укладки). Присоединение же стержней к узлам может производиться на цилиндрических шарнирах, на винтовых муфтах, а также на автоматически защелкивающихся соединениях (скажем, на шариковых замках).

Из всех этих элементов могут собираться космические платформы произвольных форм и размеров. Однако, как уже указывалось, сборка конструкций типа пространственно стержневых ферм требует большого количества монтажных работ с участием космонавтов-монтажников. В настоящее время разрабатываются автоматы, способные наращивать конструкцию такого типа, но лишь в одном направлении (например, собирать трехгранные или четырехгранные призматические стержни произвольной длины). И пока нет конструкторских решений, позволяющих автоматизировать процесс наращивания конструкции подобного типа в двух направлениях. В результате сборка космических платформ оказывается очень трудоемкой и требует длительного пребывания на орбите космонавтов-монтажников, которые либо непосредственно, либо с помощью манипуляторов будут осуществлять эту сборку.

В связи с этим недостатком космических платформ, в основе которых лежит конструкция типа пространственно стержневых ферм, сейчас интенсивно ведется поиск конструкций космической платформы, допускающих большую автоматизацию при сборке на орбите. Так, например, предполагается, что несущий каркас космической платформы может представлять собой конструкцию со спиральной структурой типа перекрестных балок или ферм, а также иерархическую конструкцию вроде рассмотренных ранее при описании возможного варианта несущего каркаса для солнечных батарей в спутниковых солнечных электростанциях.

Сборку космической платформы, имеющей конструкцию со спиральной структурой, может осуществлять только один автомат, разматывающий в виде спирали алюминиевую ленту (шириной около 4,5 м) и устанавливающий радиальные связи, соединяющие соседние ветки спирали. Данный процесс практически полностью автоматизирован, однако подобная конструкция космической платформы обладает очень невысокой жесткостью и возможность ее реальной эксплуатации вызывает сомнения.

Конструкции типа перекрестных ферм несколько массивнее конструкций типа пространственно стержневых ферм, но большая часть сборочных операций здесь может быть автоматизирована. Дело в том, что все соединения подобных ферм допускают использование манипуляторов и в результате общая производительность оказывается выше, чем при сборке конструкций типа пространственно стержневых ферм.

Во всяком случае строительство в космосе крупногабаритных конструкций будет выполняться с достаточной эффективностью лишь с привлечением для этих целей разного рода автоматов. Об их разработке и о том, как решаются другие проблемы строительной технологии при создании космических крупногабаритных конструкций, и будет рассказано в следующем разделе.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СТРОИТЕЛЬСТВА В КОСМОСЕ

У современного читателя понятие «строительство» обычно ассоциируется с представлением о мощных землеройных машинах, ажурных мачтах башенных кранов, громадных бетонных блоках и, наконец, о шуме и пыли строительных площадок. А различные сооружения, здания, постройки, естественно, видятся как олицетворение нечто неподвижного, основательно покоящегося на мощном фундаменте. Лишь с некоторым снисхождением понятие «строительство» обобщается на процесс изготовления самолетов, судов, паровозов и других некоторых транспортных средств.

При этих сложившихся представлениях о наземном строительстве технология изготовления в космосе и эксплуатация различных сооружений на первый взгляд кажутся более простыми. Ведь на околоземных орбитах отсутствуют силы тяжести, ветровые нагрузки, атмосферная коррозия. В действительности же все обстоит гораздо сложнее: имеется невесомость, но существует глубокий вакуум и мощная радиация, отсутствуют ветровые нагрузки, но возникают огромные динамические нагрузки на космический аппарат при выводе на орбиту, его ориентации и коррекции орбиты, практически не сказывается атмосфера Земли, но воздействуют значительные перепады температуры и т. д.

Необычные условия на околоземной орбите и в дальнем космосе диктуют определенные требования к технологии строительства космических крупногабаритных конструкций (об этом и будет рассказано в данном разделе), к эксплуатации космических сооружений (этому посвящен следующий раздел). Однако прежде рассмотрим, какие при этом предъявляются требования к строительным материалам. И следует заметить, что и технологические аспекты, и эксплуатация, и выбор строительных материалов при космическом строительстве тесно связаны друг с другом, и появление новых решений в любом из этих звеньев сразу же плодотворно отражается на техническом решении в других звеньях и даже на выборе оптимального варианта типа конструкции.

Строительные материалы космических аппаратов. В отличие от камня, бетона и других известных материалов наземного строительства в космических конструкциях в основном используются различные металлические сплавы, обладающие необходимыми прочностными и жесткостными характеристиками. Причем ограничение по массе, диктуемое возможностями ракетно-космических транспортных средств, приводит к более широкому использованию более легких сплавов. И наибольшее распространение получают сплавы, применяемые в авиационной промышленности. С одной стороны, требование относительно низкой плотности материала существенно и в авиации, а с другой – важным фактором является использование достижений уже достаточно развитой авиационной промышленности.

В космических конструкциях чаще других применяются алюминиевые сплавы, но нередко прибегают и к титановым, магниевым, берилиевым сплавам, стали и т. д. Все эти материалы имеют высокие прочность и жесткость, могут в течение десятилетий практически без ухудшения своих механических свойств работать в космических условиях. Однако всем этим материалам свойственны и существенные недостатки: сравнительно большая плотность, высокий коэффициент расширения, низкий декремент собственных колебаний.

Уже отмечалось, что материал космических конструкций должен сохранять работоспособность в широком диапазоне температур, в ряде случаев меняющихся от –150 до +150°С. Для снижения температурных напряжений и деформаций материал должен выбираться с низким коэффициентом линейного расширения и относительно высокой теплопроводностью. А так как порой на космические конструкции воздействуют значительные динамические нагрузки, то, помимо прочего, для материала требуется и высокий декремент собственных колебаний, т. е. чтобы эти колебания быстро затухали.

Рис. 10. Жесткостные характеристики материалов, используемых в космических конструкциях

К сожалению, как уже отмечалось, используемые в современных космических конструкциях материалы не удовлетворяют этим требованиям полностью, в лучшем случае у них отсутствует лишь один из перечисленных недостатков. Так, алюминиевые сплавы имеют сравнительно низкую плотность, но при этом им свойствен высокий коэффициент линейного расширения. Инварные сплавы обладают низким. коэффициентом линейного расширения, но характеризуются большой плотностью и низким декрементом собственных колебаний и т. д.

Сложившаяся ситуация обещает проясниться при переходе к композиционным материалам для изготовления космических конструкций. Подобные материалы состоят как минимум из двух компонентов: армирующих волокон (наполнителя) и связующего материала (матрицы). Причем волокна обеспечивают достаточно высокие прочностные, жесткостные и термоупругие характеристики всего материала, а матрица, обеспечивающая фиксированное положение волокон и распределяющая усилие между ними, предохраняет, кроме того, волокна от механических и химических воздействий.

Наибольшее внимание привлекают к себе композиционные материалы на базе графитовых волокон (так называемые углепластики). В качестве матрицы в этих материалах используются эпоксидные, полиамидные или полисульфонные смолы. Подобные материалы обладают очень высокой относительной прочностью и жесткостью (рис. 10), низким коэффициентом линейного расширения², высоким декрементом собственных колебаний и хорошими усталостными характеристиками.

² Графитовые волокна имеют отрицательный коэффициент линейного расширения, а материалы матрицы – положительный. Теоретически при соответствующем подборе волокон и связующего материала может быть получен и нулевой коэффициент линейного расширения. Однако на практике добиться этого пока очень сложно.

В зависимости от вида и процента армирования (т. е. количества наполнителя), а также от вида связующего материала механические характеристики углепластиков могут несколько изменяться, но в общем, они, как правило, достаточно высоки. Однако некоторые данные говорят о том, что при длительном пребывании в вакууме под действием космического излучения механические свойства углепластиков начинают существенно ухудшаться. Поэтому в конструкциях, предназначенных для длительной работы в космосе (так, например, минимальный срок службы спутниковых солнечных электростанций оценивается в 30 лет), наружные поверхности углепластиков должны покрываться тонким защитным слоем металлов.

В последние годы разработана технология смачивания графитовых волокон металлами, что позволило создавать композиционные материалы с металлическими матрицами. На этой основе был разработан композиционный материал графит–магний, имеющий из всех созданных до сих пор композиционных материалов самую высокую изотропность.

В больших космических сооружениях использование углепластиков даст экономию в массе несущих конструкций в 30 – 50% по сравнению с конструкциями, выполненными из алюминиевых и магниевых сплавов. Поэтому в ближайшем будущем следует ожидать существенного увеличения объема производства композиционных материалов, значительного снижения их стоимости, а также более широкого проникновения таких материалов в наземную технику.

В настоящее время освоена технология изготовления большого ассортимента профилей из углепластиков: трубы круглого и прямоугольного сечений, двухтавровые и уголковые профили и многие другие. Однако стоимость углепластиков еще достаточно высока, хотя сейчас на изготовление спортивного инвентаря расходуется больше углепластиков, чем на нужды космонавтики. И все же при значительном увеличении производства, что произойдет при внедрении в космонавтику хотя бы части запланированных и разработанных космических конструкций из композиционных материалов, стоимость углепластиков существенно снизится.

Разработаны композиционные материалы на базе и других видов волокон, в частности на базе волокон бора. В качестве матрицы здесь могут использоваться эпоксидные смолы или алюминиевые сплавы. Боро-алюминиевые материалы также обладают высокой прочностью, могут длительное время работать в космических условиях без ухудшения механических свойств и имеют высокий модуль упругости (в 2 раза выше, чем у углепластиков).

Однако другие характеристики боро-алюминиевых материалов хуже, чем у углепластиков. У них сравнительно высокая плотность (почти в 2 раза выше, чем у углепластиков) и большой коэффициент линейного расширения (почти на порядок выше, чем у углепластиков). Декремент собственных колебаний также в 1,5 раза меньше.

Ведутся разработки и других перспективных материалов; в частности, для отражающей поверхности автоматически раскрывающихся космических антенн. Масса конструкций таких антенн сейчас в основном определяется механическими характеристиками материалов отражающей поверхности, поскольку из-за ее растяжения и возникают основные усилия в элементах несущей конструкции. Причем для механических и электростатических конструкций требуются эластичные материалы, а для вращающихся и надувных конструкций больше подходят малорастяжимые материалы, легко распрямляющиеся в плоскость без морщин и вмятин.

Технология соединений космических конструкций. При сборке и монтаже крупногабаритных космических конструкций решающее значение имеет технология соединений разных элементов этих конструкций. Здесь особо обращается внимание на технологичность и надежность соединений, зависящие, естественно, от свойств используемого материала. Однако условия на околоземной орбите настолько отличаются от земных, что заново приходится разрабатывать самые простые узлы соединительных элементов, способные уменьшить трудозатраты и время сборки в космических условиях.

В общем случае соединения в космических конструкциях могут быть разъемными и неразъемными. Причем с учетом используемых материалов для космических конструкций неразъемные соединения можно производить с помощью склейки, спайки или сварки. И особое значение придается последней, поскольку, скажем, склейка допустима лишь для соединений, не подвергающихся воздействию высоких температур, и для ее проведения требуется тщательная обработка соединяемых поверхностей.

В настоящее время для будущих работ по сборке крупногабаритных космических конструкций исследуются самые различные виды сварки: холодная диффузионно-вакуумная, при помощи плавящихся электродов, электроконтактная, ультразвуковая точечная, при помощи лазерного или электронного пучка и т. д. В частности, большой объем работ по изучению возможности сварки в космосе был проведен в Институте электросварки им. Е. О. Патона. В результате была разработана автономная космическая установка «Вулкан», способная производить сварку электронным лучом, плазменной дугой и плавящимся электродом, а также высоконадежная и высокопроизводительная аппаратура для сварки тонкостенчатых элементов электронным лучом.

Несколько слов надо сказать о сварке в космических конструкциях из композиционных материалов типа боро-алюминиевых. Поскольку при сильном нагреве в них начинается химическая реакция между бором и алюминием, вызывающая сильное ухудшение механических свойств материала, здесь недопустимы виды сварки, приводящие к сильному разогреву соединяемых элементов (например, электродуговая сварка). И вообще, выбор вида соединения (как разъемного, так и неразъемного) зависит от материала, из которого изготовлены соединяемые элементы, от условий эксплуатации космических сооружений и от принятого метода сборки крупногабаритных конструкций.

Дело в том, что при значительной степени автоматизации строительного процесса в космосе важную роль играют различного вида разъемные соединения. К ним, в частности, относятся цилиндрические шарниры, винтовые муфты, фланцевые соединения, конические и шаровые фитинги и т. д. Причем работоспособность этих соединений в открытом космосе во многом зависит от подбора соответствующих смазок, чтобы предотвратить вакуумную диффузную сварку, происходящую при соприкосновении металлических поверхностей в глубоком вакууме.

Необходимо отметить, что все перечисленные типы разъемных соединений довольно просты и надежны, но тем не менее требуют относительно больших трудозатрат и продолжительности строительных работ в космосе. В связи с чем в настоящее время много работ ведется по созданию защелкивающихся соединений, применение которых существенно упрощает и ускоряет строительный процесс на орбите. Эти соединения, как правило, имеют конические ловители, облегчающие совмещение соединяемых деталей, и защелкивающие замки (шариковые, с использованием пластинчатых пружин и т. д.), срабатывающие при соединении и прижатии этих деталей.

Надежные автоматически защелкивающиеся соединения весьма перспективны и при ремонтно-профилактических работах в открытом космосе. Так, например, в апреле 1984 г. при очередном полете американских космонавтов был осуществлен на орбите ремонт американского спутника «СММ». Но предварительно была сделана попытка замедлить его вращение с помощью приспособления с защелкивающимся соединением на конце. Правда, недоработки в конструкции соединения не позволили этого сделать, к тому же все дело усугубилось, когда американский космонавт решил остановить вращение спутника... руками (в результате, помимо вращения вокруг продольной своей оси, спутник приобрел еще и вращение вокруг поперечной оси).

Тем не менее применение надежных автоматически защелкивающихся соединений, несомненно, должно значительно упростить операции по сборке и ремонту на орбите, причем проведение таких операций не потребует дополнительных энергетических затрат. Однако решающее значение такие соединения приобретают при автоматизации строительного процесса на орбите, поскольку без них немыслимо автоматизированное строительство крупногабаритных космических конструкций.

Строительное оборудование на орбите. Соединение элементов крупногабаритных конструкций на орбите может производиться космонавтами (непосредственно или с помощью дистанционных манипуляторов), а также автоматами по заданной программе. Причем при сборке крупногабаритных конструкций существенное значение имеет то, может ли космонавт без помощи вспомогательного оборудования перемещать длинные массивные элементы конструкций и устанавливать их в космическом пространстве с заданной точностью относительно узлов соединения.

Впервые сравнительно большой объем работ на орбите провели советские космонавты В. А. Ляхов и В. В. Рюмин во время сборки космического радиотелескопа КРТ-19 на станции «Салют-6». В конце 1983 г. опять же В. А. Ляхов, но уже с А. П. Александровым осуществили работы по монтажу дополнительных солнечных батарей на станции «Салют-7». И уж совсем небывалый объем работ в открытом космосе выполнил следующий экипаж «Салюта-7» в составе Л. Д. Кизима, В. А. Соловьева и О. Ю. Атькова.

Следует отметить уже упоминавшиеся работы американских космонавтов во время ремонта спутника «СММ». Кроме того, в США неоднократно проводились наземные исследования, в которых изучалась возможность сборки крупногабаритных конструкций космонавтами в условиях невесомости. Последняя имитировалась в гидробассейне, при перемещении элементов конструкции на воздушной подушке и при подвешивании деталей на длинных нитях.

Проведенные к настоящему времени эксперименты на Земле и в космосе позволяют надеяться, что при соответствующей подготовке космонавты смогут собирать вручную достаточно крупногабаритные конструкции. Однако производительность монтажных работ на орбите будет существенно повышена при использовании дистанционных манипуляторов. Причем применение телевизионных камер предоставит возможность космонавту-оператору управлять дистанционным манипулятором, пользуясь увеличенным изображением рабочего объекта (в том числе и находящегося вне прямой видимости космонавта).

В зависимости от назначения такие манипуляторы могут быть разной сложности. Так, для выполнения определенных однотипных операций достаточно применять дистанционный манипулятор, представляющий собой рычаг с закрепленным на свободном конце инструментом. При более сложных работах понадобятся дистанционные манипуляторы, имитирующие человеческую руку. Такой тип дистанционного манипулятора состоит из плечевой, локтевой и кистевой частей, и на последней из них крепится захват или сменный инструмент. На конце дистанционного манипулятора также может размещаться телевизионная камера, позволяющая видеть объект с близкого расстояния. В системе управления возможно использование бортовой электронной вычислительной машины.

В целях облегчения конструкции дистанционного манипулятора, предназначенного для сборки крупногабаритных космических конструкций, его несущий каркас предполагается изготавливать из полых труб (с использованием композиционных материалов), соединенных шарнирами, снабженными сервоприводами. Оценки показывают, что такой дистанционный манипулятор при собственной массе около 400 кг способен перемещать грузы на орбите массой до 30 т со скоростью 0,03 – 0,6 м/с.

Все дистанционные манипуляторы, разрабатываемые для строительных работ в космосе, различаются в зависимости от подвижности рычага (или руки), количества рычагов (или рук), а также от места размещения космонавта. Последний может находиться либо у неподвижного или подвижного (скажем, поворотного) основания, либо на его подвижном конце, размещаясь на специальной площадке. Причем в последнем случае управление дистанционным манипулятором производится либо непосредственно с этой площадки, либо с пульта управления, располагающегося у основания (здесь будет находиться космонавт-оператор, а на площадке – космонавты-монтажники).

При больших объемах сборочных работ целесообразно помещать пульт управления в герметичной кабине, которая должна обеспечивать длительное пребывание космонавтов-операторов в достаточно комфортабельных условиях. Такая кабина снабжается системой жизнеобеспечения, системой передвижения кабины и, естественно, пультами управления. При необходимости управление может производиться сразу несколькими дистанционными манипуляторами, и в этом случае кабина с космонавтами-операторами (фактически уже станция обслуживания), сами дистанционные манипуляторы с автономным, скажем, управлением с концевых площадок, а также различные монтажные приспособления (скажем, для закрепления элементов конструкций во время сборки) будут размещаться на своего рода космической платформе.

Конструкции таких строительных космических платформ различаются в зависимости от метода сборки на орбите. В одном случае сборка может вестись, так сказать, «с одного места», тогда как собираемая конструкция соответствующим образом будет перемещаться и разворачиваться. В другом случае сборочная космическая платформа в процессе монтажа перемещается вдоль собираемой крупногабаритной конструкции. Первый вариант аналогичен заводскому процессу, а второй – строительству дома или корабля.

Как правило, первый метод предназначается для сборки одного типа конструкций: при создании, например, нескольких экземпляров одинаковых конструкций. Его технология весьма перспективна для сборки сравнительно небольших конструкций. В частности, обсуждается проект подобной строительной платформы для сборки 100-метрового зеркала для космической антенны. Существенным элементом в этом проекте является поворотный рабочий стол (на котором происходит сборка), способный перемещаться относительно станции обслуживания.

Сборка очень больших крупногабаритных конструкций типа элементов спутниковых солнечных электростанций, видимо, потребует второго метода сборки, т. е. с перемещением строительной космической платформы вдоль собираемой конструкции. В настоящее время рассматриваются такие платформы размером 100 × 50 м при высоте около 5 м, на которых находятся станция обслуживания, несколько дистанционных манипуляторов, способных осуществлять сборку по автономной программе с помощью ЭВМ, различные монтажные приспособления, а также автоматы типа фермопостроителей.

Строительная платформа этого типа обязательно должна снабжаться средствами для автономного перемещения в космическом пространстве и для фиксации в заданных положениях. Такая платформа будет использоваться как для создания несущих конструкций, так и для монтажа функционального и вспомогательного оборудования, тестовых испытаний, ремонта, хранения инструментов, запасного оборудования и материалов. Она, в частности, может иметь полость, в которой будут происходить сборка и проводиться испытания фрагментов конструкции, работы солнечных батарей и т. д.

Использование автоматики в космическом строительстве. Эффективность работы рассмотренных строительных космических платформ во многом будет определяться степенью внедрения автоматики в строительное производство, т. е. автоматизацией всего строительного процесса и использованием автоматических устройств по сборке конструкций. Даже производительность работы дистанционных манипуляторов относительно невысока, если выполняется большой объем сборочных работ без автоматизации хотя бы части проводимых операций.

В настоящее время вполне разработаны автоматические устройства, способные из доставляемых с Земли полуфабрикатов изготавливать на орбите фермы, используемые в качестве стержневых элементов для крупногабаритных космических конструкций. Такие автоматы-фермопостроители могут создавать на орбите фермы круглого сечения из смотанных стержневых заготовок, а также фермы равностороннего треугольного сечения из рулонированного листового материала и проштампованных на Земле поперечных элементов.

Рис. 11. Схема автомата по изготовлению трехгранных ферм: 1 – ферма, 2 – лонжерон, 3 – решетка, 4 – место для ультразвуковой сварки, 5 – охладительная камера, 6 – устройство формирования решетки, 7 – нагреватель, 8 – бобина с намотанными на нее элементами решетки, 9 – валки для формирования лонжерона, 10 – бобина с намотанным лонжероном

Так, например, разработан и прошел наземные испытания опытный образец по автоматическому и непрерывному изготовлению трехгранных ферм из рулонированного материала типа углепластика (рис. 11). Изготавливаемая им ферма состоит из трех продольных элементов (лонжеронов), располагающихся в вершинах треугольного поперечного сечения, соединенных между собой поперечными элементами (решеткой). При этом полосы тонколистового материала будут производиться на Земле, наматываться на бобины фермопостроителя в таком количестве, чтобы он смог на орбите создавать фермы общей длиной от 0,5 до 1 км. Допускается возможность доставки с Земли дополнительных бобин на фермопостроитель и перезарядка бобин в космических условиях.

В процессе работы фермопостроителя ленты, из которых изготавливаются лонжероны, сматываются с бобин и проходят через нагреватель, откуда, став более гибкими, поступают на валки, создающие из плоской ленту треугольного сечения. После этого лонжероны попадают в холодильную камеру, где отвердевают, а при выходе оттуда к ним присоединяются элементы решетки.

Эта раскосная решетка изготавливается на Земле из плоского листа, вырезанного по заданной форме, и тоже сматывается на бобины. Доставленный на фермопостроитель материал решетки, разматываясь с трех бобин, опять же проходит через нагреватель, и после его прохождения механизм типа пресса формирует поперечные сечения. Затем материал решетки, естественно, охлаждается и присоединяется к лонжеронам посредством ультразвуковой сварки.

При изготовлении ферм требуется точное выдерживание скорости перемещения лент во избежание искривления оси фермы и изгиба лонжеронов. Для контроля за этой скоростью предусмотрена автоматическая система с обратной связью, включающая в свой состав соответствующие датчики, сервомеханизмы и электронные приспособления. Общий контроль и координация осуществляются бортовой ЭВМ.

Аналогичный автомат-фермопостроитель разработан для изготовления трехгранных ферм из алюминиевой ленты. Некоторое различие здесь заключается в изменении температурного режима и замене ультразвуковой сварки точечной. Спроектированы также автоматы, использующие и несколько другую технологию: в них соединение лонжеронов между собой достигается с помощью доставляемых с Земли раскосов и распорок.

Хорошие показатели имеет установка для автоматического изготовления на орбите цилиндрических решетчатых элементов (геодезических балок). Она может создавать геодезические балки с прямолинейными и криволинейными осями из стержней углепластика, доставляемых с Земли, а также присоединять изготовленные на Земле концевые элементы, необходимые для сборки крупногабаритных конструкций из геодезических балок. Полностью загруженный автомат (рис. 12) будет производить на орбите 200 геодезических балок длиной 130 м и диаметром 1,7 м, причем каждая из них сможет выдерживать осевые усилия до 4500 Н.

Рис. 12. Автомат для изготовления геодезических балок: 1 – контейнер для наклонных элементов, 2 – транспортер, 3 – склад для кольцевых элементов, 4, 5 – дистанционные манипуляторы, 6 – готовые геодезические балки, 7 – оправка, 8 – система по соединению продольных и наклонных элементов, 9 – контейнер для продольных элементов, 11 – зажимная втулка, 12 – ножницы, 13, 14 – система по соединению продольных элементов с наклонными, 15 – готовые элементы

При собственной массе около 4 т подобный автомат может загружаться сборочными элементами массой до 20 т. Потребление энергии на сборку сравнительно невелико, поскольку энергия в основном необходима на соединение стержней в узлах с помощью ультразвуковой сварки и на их резку. Следует заметить, что как элементы крупногабаритных конструкций геодезические балки, воспринимающие только сжимающие усилия, оказываются на 20 – 40% экономичнее по массе, чем трехгранные фермы.

В более отдаленной перспективе рассмотренные здесь автоматы-фермопостроители, видимо, войдут в состав более сложных автоматических сборочных агрегатов, предназначенных для сборки крупногабаритных конструкций из однотипных элементов. Исследуется возможность сконструировать автоматические аппараты, которые из рулонизированных полуфабрикатов смогли бы на орбите сразу полностью изготовлять крупногабаритную конструкцию плоской или чашевидной формы. Однако в настоящее время разработка подобных автоматических устройств находится лишь на самой предварительной стадии изучения и сталкивается с рядом трудностей.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Невесомость позволяет создавать на орбите весьма ажурные конструкции, даже невозможные на Земле. Тем не менее на все космические сооружения действуют разнообразные силы, которые необходимо учитывать при разработке космических аппаратов, особенно если те имеют очень большие размеры. Причем внешние силы, как правило, вызывают перемещение центра тяжести (масс) конструкции или создают вращательный момент, тогда как внутренние только приводят к ее деформации.

Учет внешних сил. Ими часто пренебрегают при разработке космических конструкций небольших размеров, поскольку внешние нагрузки относительно малы. Наиболее значительные из них возникают при транспортировке конструкций. В общем случае даже при отсутствии ограничений, вызываемых массогабаритными возможностями ракетно-космических транспортных средств, целесообразно проводить сборку космических конструкций непосредственно на рабочей орбите или на несколько более низкой. Больших же перегрузок при транспортировке собранной конструкции с более низкой орбиты на более высокую (скажем, геостационарную) можно избежать, если использовать для этой цели двигатели малой тяги.

К ним относятся, например, электрореактивные двигатели, которые, кстати, являются и более экономичными, чем жидкостные ракетные двигатели, обычно применяемые на ракетах-носителях. Однако создаваемые такими двигателями ускорения все же не могут быть очень малыми (хотя бы потому, что время транспортировки не должно быть очень большим), в самом оптимальном варианте действующие на конструкцию силы инерции составляют 0,1% от силы тяжести на Земле.

Для крупногабаритных космических конструкций существенными становятся и приливные силы. Дело в том, что на вращающийся вокруг Земли спутник действуют противоположно направленные сила земного притяжения и центробежная сила, которые уравновешены в его центре масс (отсюда и возникает невесомость). Однако первая уменьшается с расстоянием от Земли, тогда как другая, наоборот, увеличивается (хотя и в меньшей степени), что приводит к неравенству этих сил в более отдаленной от Земли и более близкой к ней частях конструкции. В результате образуются приливные силы, растягивающие космическую конструкцию в противоположных направлениях вдоль оси, проходящей через центр Земли и центр масс космического аппарата.

Тем не менее деформация за счет приливных сил пренебрежимо мала даже для более или менее крупногабаритных конструкций, если они находятся на достаточно высокой орбите. Ведь с увеличением расстояния от Земли разница в земном притяжении различных частей конструкции становится меньше. И во всяком случае это приливное воздействие почти не оказывает никакого влияния на сферические конструкции размером до 10 км. Но при переходе к конкретным космическим конструкциям, которые рассматривались в предыдущих разделах, учет приливного воздействия все же необходим, и вот почему.

Если бы ориентация таких конструкций не имела никакого значения, то все было бы в порядке. Но дело в том, что для космических антенн, элементов спутниковых солнечных электростанций и даже космических платформ ориентация во время их функционирования имеет существенное значение. И здесь приливные силы создают вращательный момент (его в научной литературе часто называют гравитационным моментом) для не сферически симметричных крупногабаритных конструкций. В результате же при выдерживании нужной ориентации с заданной точностью возникают колебания конструкции.

Так, например, при ориентации конструкции в виде плоского диска диаметром 4 км с точностью 1″ частота этих колебаний достигает 0,1 Гц при нахождении космического аппарата на низких околоземных орбитах и 0,0066 Гц при размещении на геостационарной орбите. Поэтому с целью предотвращения резонансных явлений собственная частота колебаний проектируемых космических конструкций должна быть существенна больше этих величин. Причем повысить частоту собственных колебаний можно только за счет увеличения жесткости конструкции. Здесь также помогает использование материалов с лучшими жесткостными характеристиками и более высоким декрементом собственных колебаний.

К внешним нагрузкам, оказывающим заметное воздействие на крупногабаритные космические конструкции, следует отнести силы аэродинамического сопротивления и давления солнечного излучения. Сразу же отметим разный характер воздействия этих сил: аэродинамическое сопротивление всегда направлено против движения космического аппарата на орбите и в итоге приводит к снижению этой орбиты, тогда как давление солнечного излучения тормозит спутник на одной половине его орбиты и ускоряет на другой. Вследствие последнего изменение скорости движения симметричных конструкций за счет давления солнечного излучения в конечном счете пренебрежимо мало.

Как показывают расчеты, благодаря резкому уменьшению плотности земной атмосферы с высотой аэродинамическим сопротивлением также можно пренебречь, если высота орбиты спутника превышает 550 км. Однако более экономично с точки зрения массогабаритных возможностей ракетно-космических транспортных средств производить сборку крупногабаритных конструкций на орбитах высотой 300 – 500 км. Правда, при сравнительно небольших отношениях массы конструкции к площади поверхности (скажем, площади раскрыва зеркала для космических антенн) целесообразной становится сборка на орбитах высотой более 550 км.

Таким образом, в общем случае при транспортировке крупногабаритной космической конструкции с более низкой орбиты на более высокую эта конструкция подвергается действию сил инерции, аэродинамического сопротивления и светового давления, с одной стороны, и силы тяги двигательных установок – с другой. Поскольку же эти силы приложены к разным точкам космической конструкции (рис. 13), то в результате возникает момент сил, изгибающий конструкцию. Кроме того, включение двигательных установок или изменение силы их тяги приводит к механическим колебаниям конструкции, о природе которых говорилось ранее.

Рис. 13. Схема сил, действующих на каркас космической антенны при ее транспортировке с более низкой орбиты на более высокую

Все это весьма существенно для гигантских радио- и оптических телескопов зеркального типа. Поэтому при их проектировании необходимо учитывать возможную деформацию профиля зеркала при его транспортировке с более низкой орбиты на более высокую, а также возникающие при этом колебания конструкции. И следовательно, это накладывает дополнительные требования на упругие свойства конструкции, с одной стороны, и жесткостные характеристики – с другой.

Среди остальных внешних воздействий на космическую конструкцию отметим влияние магнитного поля Земли. Его неоднородность приводит к тому, что в элементах космической конструкции, обладающих электропроводностью в той или иной степени, возникают вихревые токи. Последние приводят к нагреву (за счет омических потерь) таких элементов и к уменьшению кинетической энергии космической конструкции, что вызывает ее торможение и снижение высоты орбиты. Однако эта тормозящая сила, образующаяся вследствие неоднородности магнитного поля Земли, пренебрежимо мала для большинства крупногабаритных космических конструкций.

Но поскольку воздействие магнитного поля существенно увеличивается для вращающихся проводящих тел, то магнитным полем Земли уже нельзя пренебрегать в центробежных космических конструкциях, а также для спутников, стабилизируемых вращением. Правда, учет возникающих тормозящих сил касается не прочностных характеристик конструкции, а лишь расходования ее массы и энергии на стабилизацию скорости вращения. Хотя здесь может помочь создание практически непроводящих композиционных материалов, так как изготовленные из них космические конструкции рассматриваемого типа вовсе не будут подвергаться воздействию неоднородности магнитного поля.

Учет внутренних нагрузок. Кроме внешних сил, на космические конструкции действуют разнообразные внутренние нагрузки (температурные напряжения, внутреннее давление, внутренние центробежные силы, нагрузки в связи с перемещением масс по поверхности и по объему конструкции и т. д.), которые в ряде случаев являются определяющими при выборе материалов, типа конструкции и технологии сборки космических сооружений.

Так, например, при вращении конструкции относительно своего центра масс в ней возникают центробежные силы. А это как раз касается только что рассмотренных случаев, когда стабилизация космического аппарата может создаваться за счет гироскопического эффекта во время вращения или вообще, когда тип конструкции определяется центробежными силами. Образующиеся во всех этих случаях напряжения в конструкциях не должны превышать соответствующий предел прочности используемого материала.

Кроме того, вращательный момент возникает в любых космических конструкциях при ее ориентации или стабилизации относительно заданного направления. Правда, следует отметить, что при точной ориентации с допустимыми частотами механических колебаний ограничение, накладываемое рассматриваемым действием центробежных сил, начинает сказываться лишь для крупногабаритных космических конструкций размером в несколько сотен километров.

Влияние центробежных сил существенно и для будущих космических конструкций с искусственной силой тяжести, создаваемой на их периферии за счет вращения конструкции. Причем такие сооружения должны иметь значительные размеры как по своему назначению, так и потому, что при небольших размерах создание искусственной силы тяжести за счет вращения приводит к образованию кориолисовых ускорений, весьма болезненно переносимых космонавтами. Однако расчеты показывают, что напряжения в подобных конструкциях, возникающие в результате действия центробежных сил, ограничивают размеры этих космических поселений в максимуме 2 км (правда., существуют проекты обитаемых сооружений и большего размера, но в них искусственная сила тяжести создается в центральном блоке размером от 0,5 до 2 км).

Рассмотрим теперь температурные напряжения, которые всегда свойственны космическим конструкциям, поскольку они, даже не имея собственных источников тепла, подвержены неравномерному обогреву Солнцем. Конечно, если бы ориентация космических аппаратов относительно Солнца не менялась, то температурные деформации можно было бы заранее скомпенсировать конструктивными ухищрениями. Но, как правило (за исключением солнечных батарей), космические конструкции вращаются относительно направления на Солнце, и в результате образуется волна температурных деформаций.

В принципе выравнивание температуры космической конструкции возможно путем прокачки теплоносителя или нанесения теплоизоляции, однако для крупногабаритных космических конструкций этот способ нецелесообразен. Правда, даже ряд крупногабаритных конструкций (например, центробежные) мало подвержен влиянию температурных деформаций. Дело в том, что амплитуда волны температурных деформаций при быстром вращении незначительна.

Для большинства же медленно вращающихся крупногабаритных конструкций неравномерный нагрев Солнцем представляет серьезную проблему. Есть несколько путей борьбы с этим, и самый простой из них – снижение среднеравновесной температуры космического аппарата, что возможно, например, путем излучения излишков тепла в космос. В этом случае соответствующим подбором покрытий можно в широких пределах регулировать соотношение между излучательной и поглощательной способностями поверхности космических аппаратов. Так, например, использование диэлектрических покрытий (двуокиси титана, окиси кремния, двуокиси титанового рутила и т. д.) позволит снизить среднеравновесную температуру космических конструкций до –15 – 0°С.

Еще одним и даже более эффективным способом снижения температурных деформаций является использование материалов с малым коэффициентом линейного расширения, о чем уже говорилось ранее. Есть и другие средства тепловой защиты космических аппаратов, о которых уже рассказывалось не раз на страницах брошюр данной серии (см., например: Салахутдинов Г. М. Тепловая защита в космической технике. М., 1982).

Помимо температурных нагрузок, Солнце оказывает серьезное воздействие на космические аппараты, являясь мощным источником радиации: коротковолнового излучения (прежде всего ультрафиолетового) и корпускулярных потоков, интенсивность которых на орбите намного больше, чем у поверхности Земли. Кроме того, корпускулярные потоки создаются космическими лучами и радиационными поясами Земли. Особенно сильно потоки корпускулярного излучения возрастают во время вспышек на Солнце, которые сопровождаются также и резким усилением коротковолнового электромагнитного излучения.

Наиболее чувствительны к коротковолновому излучению и корпускулярным потокам радиационные поверхности, оптические детали, полупроводники и фотоэлементы солнечных батарей. Увеличивается поглощательная способность некоторых покрытий, порой возрастая в 2 – 3 раза, что приводит к серьезным нарушениям теплового режима. Наиболее стойкими здесь оказываются керамические покрытия. Под действием облучения нарушается прозрачность стекол иллюминаторов и оптических приборов. Однако последнее можно существенно уменьшить при добавлении к стеклу окиси церия, а также применяя кварцевые стекла с низким содержанием примесей.

Корпускулярное излучение вызывает в материалах разного рода радиационные повреждения, но мы о них здесь не будем говорить, поскольку это выходит за рамки нашей темы.

Воздействие космического вакуума. Космический вакуум предъявляет повышенные требования к материалам конструкций, особенно это касается обитаемых станций, герметичных приборных отсеков и надувных конструкций. В жилых помещениях должно поддерживаться внутреннее давление, близкое к атмосферному. Причем из условий прочности при заданном давлении толщина стенки жилого помещения должна расти пропорционально его размерам, поэтому для очень больших космических конструкций она может стать совершенно неприемлемой. В связи с этим возможность создания космических поселений в значительной степени будет определяться прогрессом в области разработок материалов с. достаточными прочностными характеристиками.

Необходимость поддерживать в космической конструкции постоянное давление резко увеличивает опасность попадания в нее метеороидов. Правда, вероятность попадания метеоро-ида массой в несколько десятков грамм, который может существенно повредить конструкцию типа космической антенны, настолько мала, что ею можно пренебречь. Но если в негерметичной конструкции столкновение с метеороидом способно лишь вызвать небольшие повреждения, которые несущественно скажутся на ее работоспособности, то сквозной пробой стенки герметического отсека вызовет утечку атмосферы и приведет к серьезной аварии.

Воздействие метеороидов зависит от их скорости и массы. Столкновение, например, частиц массой менее 10^–7 г с космическим аппаратом приводит лишь к эрозии поверхности аппарата, и расчеты показывают, что суммарная потеря вещества вследствие такой эрозии вблизи Земли не превышает нескольких долей микрометра в год, а это не может заметным образом сказаться на прочности космической конструкции. Однако из-за эрозии будут меняться оптические характеристики иллюминаторов, линз, теплозащитных покрытий и отражающих поверхностей. Поэтому для сохранения длительной работоспособности теплозащитных покрытий и отражающих поверхностей необходимо будет периодически их обновлять.

Рис. 14. Зависимость вероятности пробоя алюминиевой и железкой стенок космического аппарата микрометеороидами от толщины стенок

Метеороиды массой более 10^–7 г могут вызвать разгерметизацию тонкостенных космических конструкций (рис. 14). Наиболее простой способ защиты от этого состоит в использовании двухстенных конструкций. Внешняя тонкая стенка в них служит для дробления метеороидов на мелкие осколки, а внутренняя – для герметизации. Зазор между стенками устанавливается из условий достаточно широкого разлета осколков. Такая система позволит почти на порядок сократить массу герметичных конструкций.

В космическом вакууме существенно облегчены возгонка и испарение веществ, но обычно при температуре меньше 150°С материалы космических конструкций теряют в результате этого мало вещества. Однако использование сплавов (например, таких, как цинковые или магниевые), имеющих легкоиспаряющиеся компоненты, недопустимо в космических конструкциях без принятия специальных мер по их защите. Так, сублимацию металлов можно значительно уменьшить, создав на их поверхности защитные покрытия (оксидные, фосфатные), обладающие большей стабильностью в вакууме, чем основные металлы. На механические же свойства металлов космический вакуум существенного влияния не оказывает.

Особую проблему, как уже отмечалось, составляет работоспособность трущихся поверхностей космических конструкций в условиях глубокого вакуума. При длительном пребывании в космическом вакууме поверхность металлов теряет адсорбированные газы и окисные пленки, которые в наземных условиях играют роль смазки. А вследствие высокой степени очистки поверхностей космических конструкций может возникнуть непреднамеренная диффузионная сварка трущихся деталей. Для устранения этого вредного влияния космического вакуума предложен ряд методов, основанных как на конструктивных решениях, так и на использовании твердых покрытий с низким коэффициентом трения (например, дисилицида молибдена или жидких смазок с низким давлением паров).

КОСМИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ ЗА ПРЕДЕЛАМИ ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЫ

В этой брошюре были рассмотрены различные аспекты строительства крупногабаритных конструкций, предназначенных для использования на околоземных орбитах в перспективных программах освоения космоса. Строительство крупногабаритных сооружений типа научных баз или производственных комплексов (как обитаемых, так и автоматизированных) на Луне, планетах и других телах Солнечной системы потребует совершенно иных конструктивных решений. То же касается и космических поселений более отдаленного будущего, вроде «эфирных городов» Циолковского и колоний землян на других небесных телах.

Среди различных тел Солнечной системы наибольшее внимание к себе, естественно, привлекает Луна. И дело даже не в том, что она находится к нам ближе, чем другие тела. Отсутствие атмосферы, столь мешающей наземным научным исследованиям и препятствующее продуктивному использованию всего диапазона для радиосвязи, незначительная, в 6 раз меньшая, чем на поверхности Земли, сила тяжести, облегчающая строительство сравнительно массивных сооружений, постоянное обращение к Земле только одной стороной, благоприятствующее осуществлению постоянной или экстренной связи, и многое-многое другое объясняют, почему именно Луна является наиболее привлекательным местом для создания там первых научно-производственных баз.

Большое значение для дальнейшего развития космонавтики будет иметь использование сырьевых ресурсов Луны, причем как для местных нужд (скажем, при сооружении лунных баз), так и при создании космических конструкций на околоземных орбитах (например, при строительстве спутниковых солнечных электростанций). В настоящее время предложено уже несколько методов дешевой транспортировки грузов с Луны на околоземную орбиту. Обычно при этом предполагается предварительное накопление транспортируемых грузов в точках либрации орбиты Луны с помощью автоматических устройств («ловителей»), которые затем станут переправлять скопившиеся там массы грузов к Земле.

Видимо, первая экспериментальная научная база на Луне начнет действовать уже в самом начале следующего века, т. е. задолго до появления на околоземной орбите первых спутниковых солнечных электростанций, создание которых потребует самого широкого международного сотрудничества. На предварительном этапе на окололунную орбиту будут запущены специализированные станции с целью глобального исследования лунной поверхности и выбора наиболее благоприятного места для лунной базы. С течением времени после предварительных работ по добыче и переработке лунных ресурсов и после достаточной автоматизации производственных работ целесообразным станет создание на Луне жилого комплекса на 10 – 12 человек, осуществляющих общий контроль и управление автоматизированным процессом. Помимо этого, будут проводиться и научные исследования, использующие, например, построенные к этому времени гигантские радиоантенны на поверхности Луны.

В конструктивном плане первые поселения на Луне должны быть относительно просты и могут состоять, скажем, из отсеков космических аппаратов, засыпанных лунным грунтом для защиты персонала от радиации. При этом потребуется решить ряд существенных проблем, в частности, по снабжению лунных баз необходимой энергией. Дело в том, что в период лунной ночи, длящейся около 14 земных суток, различные агрегаты на ее поверхности будут лишены солнечного света, столь естественного источника энергии, широко используемого в современной космонавтике. По-видимому, здесь, помимо альтернативных источников энергии, станут использоваться космические солнечные электростанции типа рассмотренных спутниковых солнечных электростанций, но размещенных в точках либрации орбиты Луны.

Наиболее принципиальным отличием всех космических жилых и производственных сооружений от аналогичных на Земле является требование абсолютной герметичности. Поэтому-то традиционные на Земле строительные материалы – кирпич и бетон – совершенно неприемлемы ни на Луне, ни даже на Марсе (его атмосфера все же очень разрежена), ни на других планетах, как, впрочем, и в открытом космосе. Правда, некоторые помещения (например, складские) могут сооружаться и из материалов, используемых в земном строительстве, поскольку в них допустима работа в скафандрах. При этом как на Луне, так и на Марсе стены и перекрытия этих помещений из-за пониженной силы тяжести потребуют меньше строительного материала.

Поскольку все такие космические поселения будут находиться под внутренним давлением, то из-за требования максимальной прочности при минимуме массы стены сооружений должны иметь выпуклую форму. Для Луны и планет это приведет к тому, что наиболее приемлемой формой будущих космических сооружений на их поверхностях станет купольная. Естественно, что все выходы из поселений на Луне и планетах должны снабжаться шлюзовыми камерами. Поскольку же с увеличением размеров космических сооружений возрастает вероятность их пробоя метеороидами, то во избежание разгерметизации всего сооружения оно, видимо, будет разделяться на взаимно герметичные отсеки, подобно тому как это делается в надводных судах и подводных лодках.

Методы стабилизации температурного режима жилых помещений могут совершенно отличаться от наземных. Ведь в космосе, как уже отмечалось, теплообмен с внешней средой возможен лишь посредством излучения, поэтому цвет стен зданий на Луне и планетах в первую очередь станет определяться заданным температурным режимом. На Луне, например, будет целесообразно, если цвет сооружений меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом.

И естественно, строительство на Луне и планетах станет возможным лишь при достаточной степени автоматизации строительного процесса. Здесь также потребуются совершенно новые конструкторские решения, полностью отличные от используемых при строительстве на околоземных орбитах. Однако даже приемлемого подхода к этим решениям сейчас не имеется.

Следует сказать, что в настоящее время нет пока даже единой точки зрения на поэтапность заселения космического пространства. По мнению одних специалистов, первые крупные внеземные города появятся на Луне, другие же считают, что более целесообразно создавать первые космические поселения в точках либрации орбиты Луны. Есть предложения в первую очередь заселять астероиды. Но во всяком случае заселения планет многие ученые отодвигают на гораздо более поздние сроки. Здесь также нет единой точки зрения, и некоторые даже считают, что более целесообразной является колонизация окрестностей Юпитера и Сатурна, а не, скажем, Марса.

Однако самые далекие перспективы заселения Солнечной системы связываются с проектами типа «эфирных городов», т. е. размещенных непосредственно в открытом космическом пространстве. Сооружение этих гигантских поселений, по всей видимости, будет беспрерывным процессом и должно продолжаться вплоть до исчерпания всех ресурсов Солнечной системы. Как ни странно, но уже сейчас имеется несколько конструктивных решений для космических сооружений столь отдаленного будущего. Еще со времен К. Э. Циолковского они всесторонне обсуждаются как в научной, так и научно-популярной литературе. По-видимому, о них хорошо осведомлен читатель, а если нет, то он может обратиться к достаточно обширной по этому вопросу литературе (см., например: Улубеков А. Т. Богатства внеземных ресурсов. М., 1984).

И все же, заканчивая нашу брошюру, отметим, что космическое строительство – это совсем новое направление в космонавтике, для развития которого требуются как тщательные методические исследования, так и смелая инженерная фантазия. И несомненно, космическая строительная индустрия будет играть все более важную роль в жизни человечества, что обусловливается его вечным стремлением преобразовать природу для своих практических нужд.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Буякас В. И. и др. Неограниченно наращиваемый космический радиотелескоп. – Космические исследования, 1978, т. 16.

Попов Е. И. Автоматические космические аппараты. М., 1984.

Сагдеев Р. 3. Космические исследования. Достижения и перспективы. – В кн.: Проблемы космических исследований. М., 1981.

Соколов А. Г., Гвамичава А. С. Решение инженерных конструкций космических радиотелескопов.– В кн.: Антенны. М.,

Улубков А. Т. Богатства внеземных ресурсов. М., 1984.

НОВОСТИ ЗАРУБЕЖНОЙ КОСМОНАВТИКИ

ПРОЕКТЫ, РАЗРАБОТКИ, ИССЛЕДОВАНИЯ

Эффективность использования МТКК и его конкурентоспособность с западноевропейской ракетой-носителем (РН) «Ариан» во многом зависят от создания надежного космического буксира (КБ) для перевода ИСЗ на геостационарную орбиту с орбиты МТКК. Ведь большинство перспективных ИСЗ самого различного назначения (связи, метеорологических и др.) планируется использовать именно на геостационарной орбите, весьма благоприятной для разного рода исследований. Однако неудачи с применением уже разработанных КБ «ИУС» (неполадки с запуском ИСЗ «ТДРС» и сокращение в связи с этим программы «Спейслэб») и «ПАМ-Д» (потеря ИСЗ «Уэстар-6» и «Палапа-2») продемонстрировали неблагополучность с разработкой надежного КБ и сузили рынок сбыта МТКК, соответственно расширив рынок сбыта РН «Ариан». Поэтому НАСА обратилось к КБ на базе ракеты «Центавр», которая используется в качестве третьей ступени в РН «Атлас – Центавр». Кстати, такой КБ должен иметь и более высокие энергетические характеристики, чем КБ «ИУС» и «ПАМ-Д», и, в частности, сможет переводить с орбиты МТКК на геостационарную орбиту ИСЗ массой до 4,5 т. Во всяком случае руководство НАСА решило использовать КБ на базе ракеты «Центавр» для запуска космических аппаратов (КА) «Галилей» (полет к Юпитеру) и «ИСПМ» (полет вне плоскости эклиптики). Определенно это было сделано, чтобы обеспечить надежность осуществления столь дорогостоящих программ, но тем не менее такое решение вызвало и недовольство ряда специалистов как в США, так и в Западной Европе. Первоначально запуск КА «Галилей» планировался еще на 1982 г., но трехлетнее отставание НАСА с вводом в строй МТКК соответственно передвинуло дату запуска КА. Решение же использовать КБ на базе ракеты «Центавр» еще дальше сдвинуло срок запуска КА (май 1986 г.) и привело к нежелательному удорожанию программы «Галилей». Что же касается КА «ИСПМ», то перенесение срока его запуска из-за решения НАСА по поводу КБ вызвало неудовольствие их партнеров из западноевропейской космической организации ЕСА. Дело в том, что в Западной Европе уже созданы и готовы к запуску два образца КА по программе «ИСПМ», однако НАСА не желает их запускать раньше собственного КА. Незапланированное удорожание западноевропейской части программы «ИСПМ» в связи с отсрочкой запуска КА согласно решению НАСА еще раз подчеркивает сложность партнерства США и стран Западной Европы в области космонавтики.

В настоящее время НАСА приступило к разработке более совершенного КБ, который, помимо своих основных функций по переводу полезной нагрузки с более низкой орбиты на более высокую (а кроме того, впервые еще и для доставки полезной нагрузки с более высокой орбиты на орбиту МТКК), сможет использоваться и при проведении операций в космосе по сборке крупногабаритных конструкций. Создание этого КБ, фактически представляющего собой маневрирующую строительную площадку, приурочено к началу работ по созданию к космосе долговременной орбитальной космической станции (ОКС) в начале 1990-х годов. Предполагается широкое использования КБ как транспортного средства для снабжения ОКС необходимыми грузами, а также как вспомогательного средства при сборке самой ОКС. Тем самым НАСА решило избежать в будущем ситуации, схожей с той, когда МТКК как средство для вывода ИСЗ на геостационарную орбиту оказался малоэффективным (хотя бы по сравнению с РН «Ариан») в связи с недостаточной отработкой имеющихся сейчас КБ. Ведь с применением разрабатываемого сейчас КБ, способного переводить грузы массой 11 300 кг с орбиты МТКК на орбиту высотой около 2000 км и сокращающего объем операций по монтажу и сборке крупногабаритных конструкций, эффективность американской ОКС намного возрастет. Однако в настоящее время правительство США не санкционирует создание такого КБ и не обеспечивает НАСА соответствующими ассигнованиями. То же происходило и в начальной стадии разработки МТКК, когда в первую очередь была обеспечена престижность программы (создание собственно МТКК), а не его эффективность при запуске ИСЗ (разработка КБ).

В США началась разработка долговременной модульной ОКС, которая начнет функционировать на орбите с 1992 г. Общие расходы по этой программе предварительно оцениваются в 8 млрд. долл., т. е. они существенно превышают первоначальные оценки расходов на создание МТКК. Согласно проекту «ядро» ОКС (в будущем предполагают ее наращивать на орбите) состоит из нескольких базисных блоков, размещенных на рамочной конструкции, и двух автономных спутников-платформ. Жилые герметические отсеки (блоки) общим объемом 195 м³ рассчитаны на размещение в них 6 – 8 космонавтов, которые будут сменяться каждые 3 – 6 месяцев (смену экипажей и доставку необходимых грузов на ОКС будут обеспечивать МТКК). Общая масса «ядра» ОКС оценивается в 36 т. Жилой объем ОКС составлен четырьмя-пятью цилиндрическими блоками, каждый из которых имеет длину 6,7 м и диаметр 4,3 м. Причем два из них являются исследовательскими лабораториями (один – для медико-биологических экспериментов, другой – для экспериментов по космическому материаловедению), один блок предназначен для жилья космонавтов, а еще один-два – для хранения оборудования и грузов. В состав ОКС входит также энергетический блок, в котором размещены энергетическая установка, система жизнеобеспечения и другое вспомогательное оборудование. Основу энергетической установки составляют солнечные батареи общей площадью 2000 м², обеспечивающие получение электроэнергии мощностью 75 кВт. Кроме того, в составе ОКС имеется вспомогательная открытая ферменная конструкция для обслуживания автономных спутников-платформ, в связи с чем, помимо прочего, она будет оснащена двумя дистанционными манипуляторами. Разработка этой конструкции ферменного типа проводится на базе грузового отсека орбитальной ступени МТКК. Ключевым элементом ОКС при ее сборке в единую конструкцию явится герметический блок с несколькими стыковочными узлами. Один из автоматических спутников-платформ («Астроплатформа») будет находиться на орбите с таким же наклонением, что и ОКС (28°). На ней разместятся приборы для проведения астрономических наблюдений, а также для осуществления технологических и других экспериментов вне ОКС. Еще один спутник-платформа («Платформа Z») будет находиться на солнечно-синхронной орбите с наклонением 98°, и ее оборудование предназначено для исследований природных ресурсов Земли и наблюдений земной атмосферы. Первый спутник-платформа будет периодически обслуживаться непосредственно членами экипажа ОКС, второй – космонавтами МТКК, а впоследствии членами экипажа второй ОКС. Однако относительно второй ОКС, предназначенной для вывода на околополярную орбиту, еще нет полной договоренности, и возможно, для ее создания не будут выделены необходимые средства.

НАСА решило отказаться от. выбора головной фирмы по разработке ОКС и будет само распределять контракты между фирмами-подрядчиками по разработке и изготовлению основных узлов ОКС. Это обстоятельство, кстати, должно облегчить участие в данной программе иностранных фирм, поскольку в этом проявили свою заинтересованность ЕСА (особенно ФРГ и Италия), Канада и Япония. Канада, в частности, готова расширить сферу использования своего дистанционного манипулятора, разработанного для МТКК, а также предполагает участвовать в создании лабораторных блоков и автономных спутников-платформ. Интерес Японии простирается на осуществление технологических экспериментов в космосе и на изучение возможности сборки космических крупногабаритных конструкций. Несомненно, участие других стран в разработке американской ОКС снизит затраты на ее создание со стороны США. Однако существует определенное обстоятельство, которое чревато осложнить отношения между этими странами-партнерами. Дело в том, что НАСА одновременно заинтересовано в дополнительных ассигнованиях со стороны министерства обороны США, а это приведет к засекречиванию части работ по ОКС. Другие же страны, и в первую очередь входящие в ЕСА, считают возможным принять участие в создании ОКС, если только существенно будет снижена секретность этих работ.

Неудовлетворенность своим ограниченным участием в разработке американской ОКС, о чем говорилось раньше, привела ЕСА к ускорению темпов создания своей собственной ОКС, а также к существенному усовершенствованию западноевропейских РН серии «Ариан». В частности, ЕСА в июле 1984 г. приступило к рассмотрению проекта ОКС «Колумб», который подготовили несколько западноевропейских фирм (в основном западногерманских и итальянских). Основу ОКС «Колумб» составляет все тот же блочный принцип построения, который присущ американской ОКС. При этом предполагается широкое использование уже готовых конструктивных решений, найденных при разработке блока «Спейслэб» и автономных спутников-платформ СПАС и «Эврика» (все они выводятся на орбиту в грузовом отсеке орбитальной ступени МТКК). Согласно проекту, ОКС «Колумб» будет состоять из трех базисных блоков и одного-двух автономных спутников-платформ. Первым будет разработан и изготовлен герметический блок, создаваемый на базе блока «Спейслэб», успешно прошедшего испытания в составе МТКК в декабре 1983 г. Он сможет использоваться для проведения медико-биологических исследований и технологических экспериментов по материаловедению в условиях микрогравитации. На 1993 г. запланирован запуск этого герметического блока и его стыковка с американской ОКС. В связи с чем в блок «Спейслэб» должны быть внесены изменения, связанные с продлением продолжительности его полета на орбите и обеспечением совместимости с американской ОКС. Кроме того, в состав ОКС «Колумб» входят агрегатный блок и блок обслуживания полезных нагрузок. На первом из них разместятся энергетическая установка, система жизнеобеспечения и другое вспомогательное оборудование. Второй блок будет оснащен двигательной установкой для маневрирования на орбите и дистанционными манипуляторами для ремонта и обслуживания полезных нагрузок. Автономный спутник-платформа разрабатывается на базе платформ «СПАС» и «Эврика» (первая уже неоднократно испытывалась в составе МТКК и в автономном полете, осуществленном с борта МТКК, вторая пока еще только разрабатывается западноевропейскими фирмами). На этом автономном спутнике-платформе может быть установлено оборудование для проведения научных экспериментов по космическому материаловедению, наблюдениям земной поверхности и небесных тел и т. д. Предполагается автономные спутники-платформы выводить в основном на низкую околоземную орбиту, хотя впоследствии не исключено их использование и на геостационарной орбите. При достаточно продолжительных полетах к этим спутникам-платформам будут пристыковываться агрегатные блоки, разрабатываемые для западноевропейской ОКС. Именно в таком сочетании (спутник-платформа + автономный блок) предполагается провести испытания этих элементов ОКС «Колумб» в 1995 г. На 1997 г. планируется осуществление программы операций по сборке космических крупногабаритных антенн с помощью автономного спутника-платформы, агрегатного блока и блока обслуживания полезных нагрузок. Наконец, в 1999 г. сможет состояться собственно первый полет ОКС «Колумб» в составе всех своих элементов. К этому времени, видимо, войдет в строй западноевропейская РН «Ариан-5» и западноевропейский мини-МТКК «Гермес», что позволит ЕСА запустить соответствующие элементы своей ОКС собственными силами.

В настоящее время в США изучается проект воздушно-космического корабля «Крузер», рассчитанного на запуск либо с борта МТКК, либо с самолета-носителя «Боинг-747» (с последующим выводом на космическую орбиту). Согласно проектным оценкам масса этого корабля, имеющего форму конуса, составит 4,5 т, длина – 8 м. Экипаж состоит из 1 – 2 человек (для управления кораблем достаточно одного пилота). Никаких средств жизнеобеспечения корабль иметь не будет, пилот в скафандре разместится в негерметизированной кабине, снабженной прозрачным колпаком для защиты от метеороидов. При входе в атмосферу кресло пилота опустится, кабина закроется теплозащитной крышкой, а космонавт для наблюдения будет использовать систему световодов. Для упрощения оборудования Кабины дисплей, применяемый пилотом, устанавливается не в ней, а является элементом оборудования шлема скафандра. Носовая часть фюзеляжа, служащая для размещения полезной нагрузки, крепится на шарнирах и ее можно откидывать в сторону для облегчения операций по извлечению полезной нагрузки. Эта носовая часть может вообще демонтироваться, если имеется необходимость. Предусматривается также возможность смещать в полете носовую часть вперед, при этом открывается сопло микродвигателей ориентации. Такая конструкция позволяет не нарушать целостности теплозащиты при выводе сопел наружу. Основной двигатель корабля будет иметь одну камеру сгорания я 16 сопел, расположенных вокруг центрального тела. В системе ориентации корабля «Крузер» используются маховики и микродвигатели, в системе наведения и навигации – лазерные гироскопы. Электроэнергия обеспечивается установками, работающими на однокомпонентном топливе и связанными с подзаряжаемыми батареями. Гидравлических систем корабль не несет, все системы электрические. Корабль рассчитан на установку дополнительных внешних топливных баков и на пристыковку космического буксира «Центавр». Благодаря этому корабль имеет возможность маневрировать для осуществления операции по сближению со спутниками, по размещению полезных нагрузок на космических орбитах, для полетов на стационарную орбиту и на Луну. При возвращении корабля в земную атмосферу для первичного торможения используется парашют специальной формы (парашют-крыло), а затем обычная парашютная система. Эти средства размешаются в хвостовом отсеке полезной нагрузки, где предусмотрено место и для воздушного тормоза, обеспечивающего уменьшения скорости корабля при возвращении в атмосферу со стационарной орбиты. Воздушный тормоз может быть смонтирован и в хвостовой части буксира «Центавр», пристыкованного к кораблю. Для корабля «Крузер» предусмотрена возможность погружения в атмосферу для проведения маневров с использованием аэродинамического качества.

В настоящее время проект «Крузер» находится на стадии анализа и этот проект является лишь одним из нескольких проектов воздушно-космических кораблей, которые обследуются Пентагоном по специальной программе. Среди проектов имеется, в частности, и такой, в котором предусмотрен старт корабля с взлетно-посадочной полосы с последующим выходом на космическую орбиту. Если в ближайшее время программа «Крузер» перейдет на стадию разработки, то первый полет воздушно-космического корабля может быть осуществлен уже в 1988 г.

Алексей Сергеевич Гвамичава

Владимир Алексеевич Кошелев

СТРОИТЕЛЬСТВО В КОСМОСЕ

Гл. отраслевой редактор Л. А. Ерлыкин. Редактор Е. Ю. Ермаков. Младший редактор Л. Л. Нестеренко. Обложка художника А. А. Астрецова. Худож. редактор М. А. Гусева. Техн. редактор Н. В. Лбова. Корректор В. В. Каночкина.

ИБ № 6718

Сдано в набор 18.06.84. Подписано к печати 13.08.84. Т 15594 Формат бумаги 84×108¹/₃₂. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3,57. Уч.-изд. л. 3,55. Тираж 27 650 экз. 3aказ 1199. Цена 11 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 844209.

Типография Всесоюзного общества «Знание», Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

4-я стр. обложки