Космическая технология и производство - Сергей Гришин

С. Д. Гришин, доктор технических наук

Л. В. Лесков, доктор физико-математических наук

В. В. Савичев, доктор технических наук

КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни многие достижения космонавтики находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Использование искусственных спутников Земли для нужд связи, телевидения, метеорологии, картографии, навигации, для изучения природных ресурсов, в интересах геологии, сельского, лесного, рыбного хозяйства прочно вошло в повседневную деятельность человечества. Однако непрерывное совершенствование космических средств открывает все новые и новые возможности их применения в народном хозяйстве и науке. Одним из перспективных направлений космонавтики является производство в «осмосе новых материалов. Практическое решение этой важной научно-технической проблемы стало возможным в последние годы благодаря достигнутым успехам в создании долговременных пилотируемых орбитальных станций и транспортных кораблей, предназначенных для доставки на эти станции и возвращения на Землю космонавтов вместе с необходимыми расходуемыми материалами (фотопленка, топливо, запасы продовольствия и т. п.).

Исследования в области производства материалов в космосе обусловлены стремлением использовать в технологических процессах необычные условия, создающиеся при движении космических аппаратов по околоземным орбитам: прежде всего — длительное состояние невесомости, а также окружающий глубокий вакуум, высокие и низкие температуры и космическую радиацию.

В условиях невесомости ряд известных физических процессов протекает иначе, чем в привычных для нас земных условиях (при воздействии силы тяжести). Так, в невесомости отсутствует сила Архимеда, вызывающая в обычных земных условиях расслоение жидких веществ с разной плотностью, ослаблена естественная конвекция, приводящая в земных условиях к перемешиванию слоев жидкостей и газов, имеющих разные температуры. Это открывает принципиальные возможности как для получения в невесомости качественно новых материалов, так и для улучшения свойств существующих материалов.

В невесомости возможно бесконтейнерное удержание в пространстве жидкого металла, благодаря чему удается избежать его загрязнения за счет попадания примесей со стенок контейнера и получить в результате сверхчистые вещества. В невесомости поведение жидкостей определяется силами поверхностного натяжения, и это необходимо учитывать даже при выполнении таких обычных технологических процессов, как сварка, пайка, плавление и т. д.

В СССР первые технологические эксперименты были выполнены в 1969 г. На борту пилотируемого космического корабля «Союз-6» в условиях длительной невесомости летчик-космонавт СССР В. Н. Кубасов с помощью установки «Вулкан», изготовленной в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, отрабатывал различные способы сварки металлов. Была подтверждена практическая возможность выполнения различных сварочных работ в условиях космического пространства. Технологические эксперименты были проведены в 1975 г. во время полета орбитальной станции «Салют-4», а также при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». Некоторые технологические эксперименты выполнялись на вертикально стартующих высотных ракетах при их пассивном (с отключенными двигателями) полете в верхних слоях атмосферы (в этом случае состояние невесомости обеспечивается в течение небольшого времени — около десяти минут).

Новый шаг в направлении создания научных основ космического производства был сделан во время полета орбитальной научной станции «Салют-5», когда летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым, В. М. Жолобовым, В. В. Горбато и Ю. Н. Глазковым был осуществлен цикл технологических экспериментов с помощью комплекта приборов «Кристалл», «Поток», «Сфера», «Диффузия» и «Реакция».

Исследования по космической технологии проводятся также в США и других странах. Различные технологические эксперименты осуществлялись на кораблях «Аполлон-14, -16, -17», на орбитальной станции «Скайлэб», при запусках высотных ракет «Блэк Брант».

В предлагаемой брошюре дается общая характеристика современного состояния исследований в области космической технологии и космического производства. Рассказывается о перспективных направлениях космического производства, таких, как получение металлов, полупроводниковых материалов, оптического стекла, керамики, медико-биологических препаратов и т. п.

Физические условия на борту космических аппаратов

При полете космических аппаратов по околоземным орбитам на их борту возникают условия, с которыми на Земле человек обычно не сталкивается. Первое из них — длительная невесомость.

Как известно, вес тела — это сила, с которой оно действует на опору. Если и тело, и опора свободно движутся под действием силы тяготения с одинаковым ускорением, т. е. свободно падают, то вес тела исчезает. Это свойство свободно падающих тел установил еще Галилей. Он писал: «Мы ощущаем груз на своих плечах, когда стараемся мешать его свободному падению. Но если станем двигаться вниз с такой же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как же может он давить и обременять нас? Это подобно тому, как если бы мы захотели поразить копьем кого-нибудь, кто бежит впереди нас с такой же скоростью, с которой движется копье».

Когда космический аппарат движется по околоземной орбите, он находится в состоянии свободного падения. Аппарат все время падает, но не может достигнуть поверхности Земли, потому что ему сообщена такая скорость, которая заставляет его бесконечно вращаться вокруг нее (рис. 1). Это так называемая первая космическая скорость (7,8 км/с). Естественно, что все предметы, находящиеся на борту аппарата, теряют свой вес, иными словами, наступает состояние невесомости.

Рис. 1. Возникновение невесомости на космическом аппарате

Состояние невесомости можно воспроизвести и на Земле, но только на короткие промежутки времени. Для этого используют, например, башни невесомости — высокие сооружения, внутри которых свободно падает исследовательский контейнер. Такое же состояние возникает и на борту самолетов, выполняющих полет с выключенными двигателями по специальным эллиптическим траекториям. В башнях состояние невесомости длится несколько секунд, на самолетах — десятки секунд. На борту космического аппарата это состояние может продолжаться сколь угодно долго.

Такое состояние полной невесомости представляет собой идеализацию условий, которые в действительности существуют во время космического полета. На самом деле это состояние нарушается из-за различных малых ускорений, действующих на космический аппарат при орбитальном полете. В соответствии с 2-м законом Ньютона появление таких ускорений означает, что на все предметы, находящиеся на космическом аппарате, начинают действовать малые массовые силы[1], и, следовательно, состояние невесомости нарушается.

Действующие на космический аппарат малые ускорения можно разделить на две группы. К первой группе относятся ускорения, связанные с изменением скорости движения самого аппарата. Например, за счет сопротивления верхних слоев атмосферы при движении аппарата на высоте около 200 км он испытывает ускорение порядка 10–5 g0 (g0 — ускорение силы тяжести вблизи поверхности Земли, равное 981 см/с2). Когда на космическом аппарате включают двигатели, чтобы перевести его на новую орбиту, то он также испытывает действие ускорений.

Ко второй группе относятся ускорения, связанные с изменением ориентации космического корабля в пространстве или с перемещениями массы на его борту. Эти ускорения возникают при работе двигателей системы ориентации, при перемещениях космонавтов и т. д. Обычно величина ускорений, создаваемых двигателями ориентации, составляет 10–6 — 10–4 g0. Ускорения, возникающие вследствие различной деятельности космонавтов, лежат в диапазоне 10–5 — 10–3 g0.

Говоря о невесомости, авторы некоторых популярных статей, посвященных космической технологии, пользуются терминами «микрогравитация», «мир без тяжести» и даже «гравитационная тишина». Поскольку в состоянии невесомости отсутствует вес, но присутствуют силы тяготения, эти термины следует признать ошибочными.

Рассмотрим теперь другие условия, существующие на борту космических аппаратов при их полете вокруг Земли. Прежде всего это глубокий вакуум. Давление верхней атмосферы на высоте 200 км около 10–6 мм рт. ст., а на высоте 300 км — около 10–8 мм рт. ст. Такой вакуум умеют получать и на Земле. Однако открытое космическое пространство можно уподобить вакуумному насосу огромной производительности, способному очень быстро откачивать газ из любой емкости космического аппарата (для этого достаточно ее разгерметизировать). При этом, правда, необходимо учитывать действие некоторых факторов, приводящих к ухудшению вакуума вблизи космического аппарата: утечка газа из его внутренних частей, разрушение его оболочек под действием излучения Солнца, загрязнение окружающего пространства вследствие работы двигателей систем ориентации и коррекции.