Космонавтика

ШАГИ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Почти три десятилетия насчитывает история пилотируемых полетов вне Земли. Все это время основное внимание привлекал сам факт проникновения людей в космос. Однако в последние годы все чаще речь заходит о специфической стороне освоения космоса - об использовании его свойств для изготовления той или иной продукции. На повестку дня выдвигаются вопросы космической технологии.

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

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

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

Правда, и земная технология развивалась не быстро, и не сразу ею были освоены все направления, известные современным специалистам.

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

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

Не обошлось и без разочарований. Так, некоторые подготовленные на Земле однородные сплавы после переплавки и кристаллизации в невесомости потеряли однородность, в них местами обнаружились скопления отдельных фракций. На борту станций "Скайлэб" американским астронавтам не удалось добиться нужных качеств у кристаллов антимонида галлия. А в кристаллах, выращенных из растворов на "Салюте-5", содержалось больше газожидкостных включений, чем в аналогичных земных образцах. Все эти неожиданности, преподнесенные невесомостью, свидетельствовали о том, что в космосе вещества во время фазовых превращений ведут себя по- разному и не всегда так, как мы рассчитываем, исходя из земного опыта и земных теорий. Вывод был однозначен: нужно разрабатывать основы нового раздела физики - "физики невесомости". Поэтому наряду с производством продукции на орбитальных станциях развернулось серьезное изучение процессов тепло- и массопереноса.

И еще один урок мы извлекли. Отдельные неудачи отнюдь не могут дискредитировать сущность космической технологии материалов. Ей, как и земному материаловедению, придется пройти трудный извилистый путь, но, конечно, значительно быстрее. За два десятилетия от первых затвердевших в космосе жидких масс металла и выросших кристаллов мы подошли почти вплотную к хорошо налаженному промышленному производству полупроводников и оптических стекол, однородных сплавов, беспримесных лекарств и вакцин.

Большой объем экспериментальных работ был выполнен в СССР в 1977 - 1981 гг. на станции "Салют-6", в том числе и совместно с космонавтами других государств. Специалисты одиннадцати стран - Болгарии, Венгрии, Вьетнама, ГДР, Кубы, Монголии, Польши, Румынии, Советского Союза, Чехословакии и Франции - изыскивали оптимальные возможности для использования факторов космического полета в производственно-технических целях. Такой комплексный подход к исследованиям на широкой международной основе, и это стоит подчеркнуть, был принципиально новым в космической практике. В целом экипажами "Салюта-6" на технологических установках "Кристалл" и "Сплав" проведено почти 200 плавок, изготовлено около 300 образцов полупроводниковых материалов, сплавов, стекол, из них свыше 50 - по интернациональным методикам.

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

Плотность дефектов кристаллической решетки германия и антимонида индия, выращенных в невесомости, в сто - тысячу раз меньше, чем у земных образцов. Подобные космические "изделия" обладают и более высокими электрофизическими параметрами. Следовательно, и радиоэлектронные приборы, работающие на таких кристаллах, отличаются повышенными техническими характеристиками. Интересно отметить, что на "Салюте-6" испробовали различные методы получения кристаллов, которые хорошо освоены на Земле. Это и направленная кристаллизация из расплава, и химический газотранспорт, и сублимация. Удалось получить ленточные, сферические кристаллы и тонкие кристаллические слои на подложке.

С помощью установки "Испаритель" в условиях космического вакуума проводилось свыше 200 напылений золота, серебра, меди и различных сплавов на стеклянные, полимерные и металлические поверхности. Освоение этой технологии позволяет восстанавливать блеск зеркальных объективов и отражателей, не возвращая их на Землю, а значит, не затрачивая времени и средств на транспортировку.

При экспериментах на борту орбитальных станций выяснилось, что абсолютной невесомости в них нет. Из-за работы бортовых систем возникают знакопеременные ускорения, в сто тысяч - миллион раз более слабые, чем ускорение земной тяжести на уровне моря. А если экипаж выполняет физические упражнения, то перегрузки достигают еще более заметных величин, составляя уже тысячные доли земного ускорения (их часто называют микроперегрузками, микрогравитацией). Как ни малы они, из-за них в теле растущего кристалла образуются дефекты. Специальный "теневой" прибор позволил с помощью кинорегистратора запечатлеть на пленке поле плотностей и скоростей в жидкости в условиях малых ускорений. А они всегда имеются на орбитальной станции, подтверждая отсутствие гравитационной "стерильности" в аппаратах, летящих по околоземным орбитам. Сюда стоит добавить и ускорения, вызываемые внешними силами. Даже разреженная космическая атмосфера оказывает тормозящее воздействие на спутник, и на нем возникают постоянные, хотя и небольшие ускорения или перегрузки.

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

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

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

Широкое распространение на "Салюте-7" получили сборочно- монтажные и демонтажные операции в открытом космосе. Космонавты во время одного из выходов наружу смонтировали крепежную платформу, а на ней - шарнирно- решетчатую ферму длиной 12 м с приборами на ее вершине. Затем с помощью универсального ручного инструмента (УРИ), использующего электронные луч и, они путем сварки и пайки создали жесткие неразъемные соединения в отдельных узлах конструкции.

На борту станции "Салют-7" проводился как мелкий текущий ремонт, так и крупный, потребовавший от космонавтов недюжинного мастерства и мужества. Так, Владимир Джанибеков и Виктор Савиных в 1985 г. буквально вырвали станцию из "небытия", в результате чего она еще целый год активно служила на благо науки и народного хозяйства.

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

На станции "Мир" новое развитие получило международное сотрудничество в области космической технологии. С участием сирийского и болгарского космонавтов проведена серия экспериментов по материаловедению: выращивались многокомпонентные кристаллы, изготавливались различные сплавы.

Экипажи "Мира", опираясь на технологический опыт своих коллег по монтажу конструкций вне станции, регулярно работают в открытом пространстве. Одна из важнейших задач, решенных космонавтами в первый год функционирования станции, - это наращивание солнечных батарей. К двум имевшимся на станции солнечным панелям полезной площадью 38 м они добавили третью длиной 10,6 м и общей полезной площадью 24 м 2 . Энергообеспечение станции возросло с 7,7 до 11 кВт. А потребности в электроэнергии на "Мире" действительно немалые. Взять хотя бы технологическое оборудование. Только "Корунд-1 М" потребляет около 1 кВт. А ведь еще постоянно включается гидролизная установка "Электрон", поглощающая воду из атмосферы и разлагающая ее на водород и кислород.

Впечатляющие операции были проведены на станции "Мир" 20 октября 1988 г. В тот день Владимир Титов и Муса Манаров, выйдя в открытый космос, заменили закапризничавший блок-детектор, созданный голландскими и английскими специалистами, на новый (без этого один из рентгеновских телескопов был слеп).

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

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

В 1989 г. на станции "Мир" в экспериментальном порядке на коммерческой основе начато выращивание кристаллов белковых веществ для получения новых лекарств. Эта работа проводится по соглашению, подписанному с американской фирмой "Пэйлоуд системе". Еще раньше было заключено коммерческое соглашение с фирмой "Кайзер-треде" (ФРГ) о проведении технологических исследований на советском спутнике "Фотон" в 1989 - 1992 гг.

Таким образом, космическая технология уверенно перешагивает межгосударственные границы, и ее успехи становятся достоянием многих стран и народов.


Академик В. С. АВДУЕВСКИЙ, кандидат технических наук А. Ф. ЕВИЧ

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD