Космические технологии и конструкции

17.07.2018
Более 40 лет продолжаются работы по сварке и резке, пайке и нанесению покрытий в открытом космосе, проводимые коллективом ИЭС под руководством Б.Е. Патона. За прошедшие годы получили развитие новые научные направления в области создания крупногабаритных космических конструкций и космического материаловедения.

В 1964 году была принята комплексная программа работ, связанных с выполнением сварки и резки в открытом космосе. В том же году началась разработка соответствующего оборудования и технологии. Вскоре была создана экспериментальная автоматическая установка «Вулкан», которая прошла всесторонние испытания на Земле и самолете-лаборатории. 16 октября 1969 года в ходе полета космического корабля «Союз-6» летчики-космонавты В. Кубасов и Г. Шонин, используя эту установку, впервые в мировой практике осуществили сварку и резку металлов в космосе. В результате эксперимента было показано, что наиболее подходящим методом сварки в открытом космосе является электронно-лучевая сварка. Для этого имеются следующие предпосылки: окружающая среда (космический вакуума, а также свойственный этому процессу высокий КПД) — более 80 %. Этот уникальный эксперимент можно считать началом эры космических технологий. Существует большое количество операций, в первую очередь ремонтных, для выполнения которых предварительная наземная подготовка и отработка затруднена или вообще невозможна. В таких случаях необходимо непосредственное участие оператора-космонавта, который сможет на месте оценить объем необходимых работ и принять решение о способе их выполнения.

Именно поэтому Б.Е. Патоном была выдвинута идея применения ручной электронно-лучевой сварки в открытом космосе. В ИЭС впервые был создан универсальный ручной электронно-лучевой инструмент (УРИ), с помощью которого 25 июля 1984 года космонавты С. Савицкая и В. Джанибеков на научно-исследовательском орбитальном комплексе «Салют-7» в открытом космосе провели сварку, пайку и резку образцов, а также эксперименты по нанесению покрытий. Техника ручной сварки, использованная ими при обработке образцов металлов, была признана перспективной для работ в космосе, выполняемых вручную оператором, снаряженным в скафандр. УРИ неоднократно использовался на орбите для проведения различных работ по сварке и пайке.

Значительное внимание Б.Е. Патон уделяет такому процессу, как пайка конструкций в космосе. В 1986 году на станции «Салют-7» была впервые проведена пайка узлов ферменных конструкций, которые подтвердили возможность изготовления крупногабаритных конструкций в космосе с помощью пайки. 1970-1980-е годы характеризуются большой интенсивностью работ, проводившихся в указанных направлениях.

Обобщение накопленного опыта позволило создать универсальный комплект космических сварочных инструментов типа «Универсал», предназначенный для эксплуатации на длительно действующих космических орбитальных станциях.

Идеи Б.Е. Патона о применении механизированной сварки в космосе легли в основу разрабатываемого в настоящее время в ИЭС нового поколения сварочного оборудования и технологий для ремонта деталей и узлов космических аппаратов на орбите.

По его инициативе в 1975 году были начаты систематические исследования в земных условиях и на летающей лаборатории процессов нанесения покрытий в космосе методом термического испарения и конденсации веществ.

Решить ряд проблем в этом направлении позволили исследования, выполненные на протяжении 1975-1979 годов. Была разработана технология и аппаратура для проведения указанных работ в космосе. В течение 1979-1989 гг. на орбитальных комплексах «Салют-6», «Салют-7» и «Мир» с применением установок «Испаритель М» и «Янтарь» в космических условиях были проведены эксперименты по получению тонкопленочных металлических покрытий.

Космические эксперименты послужили основой для проведения в дальнейшем фундаментальных исследований по другим научным направлениям. Разработанная для целей сварки малогабаритная, надежно работающая в космосе электронно-лучевая аппаратура оказалась весьма полезной для инжектирования электронных пучков, используемых при исследовании магнитосферы Земли и околоземной плазмы. Долгосрочная программа таких исследований была разработана двумя московскими институтами (Институтом космических исследований и Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн), а аппаратура для исследований была создана в ИЭС им. Е.О. Патона. В России было проведено два космических эксперимента — «Зарница-1» (май 1973 г.) и «Зарница-2» (июнь 1975 г.), которые позволили проверить некоторые модели строения земной магнитосферы и поведения в ней частиц, полей и плазмы.

Анализ результатов, полученных в ходе эксперимента «Зарница-1», позволил приступить к планированию и осуществлению аналогичного советско-французского эксперимента «Аракс». Для проведения этого эксперимента в ИЭС был создан гораздо более мощный инжектор электронов (30 кВт при ускоряющем напряжении 15 кВ) и соответствующая ему аппаратура электропитания, управления и телеметрии. Эксперимент был проведен в начале 1975 года.

Результаты этих работ подтвердили большую перспективность использования в экспериментальной космической физике управляемых (активных) экспериментов для наблюдения физических процессов в околоземном космическом пространстве.

Б.Е. Патон внес значительный вклад в создание новой технологии и оборудования для получения в космосе совершенных полупроводниковых и композиционных материалов.

Космические условия (высокий вакуум и микрогравитация) могут быть эффективно использованы для осуществления ряда металлургических процессов, одним из которых является бестигельная электроннолучевая зонная плавка полупроводниковых монокристаллов и композиционных материалов с помощью электронно-лучевого нагрева.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные под руководством Б.Е. Патона в ИЭС совместно с другими институтами Национальной академии наук Украины, показали несомненные перспективы применения этого процесса в космосе.

Есть основания ожидать, что свойства полупроводниковых кристаллов, получаемых в космических условиях, по своим основным параметрам будут близкими к теоретически ожидаемым. Высокими качественными характеристиками будут обладать также и композиционные материалы, полученные в космосе.

По инициативе и под руководством Б.Е. Патона в 1970-х годах были начаты работы по созданию крупногабаритных конструкций в космосе. Можно выделить несколько типов конструкций, изготовление и последующая эксплуатация которых тесно связаны со сваркой:

- несущие силовые жесткие фермы;

- выдвижные системы, базирующиеся на ферменных конструкциях;

- негерметичные оболочки; герметичные оболочки;

- трубопроводы.

Каждый из этих типов конструкций имеет свои особенности. Однако общей характерной чертой, объединяющей их между собой, является то, что габариты этих конструкций не позволяют доставить их на орбиту в готовом для эксплуатации виде, что создает большие трудности. Кроме того, в процессе эксплуатации такие конструкции должны соответствовать многим чрезвычайно жестким требованиям:

- высокая несущая способность при минимальной массе;

- большой срок эксплуатации в космосе (двадцать пять и более лет);

- низкая восприимчивость к воздействию окружающей среды;

- высокая ремонтопригодность.

Весь этот комплекс вопросов и проблем привел к возникновению нового научного направления — создания методов и средств сооружения, технического обслуживания и ремонта крупногабаритных конструкций в космосе.

В 1984-1985 гг. в ИЭС была спроектирована, изготовлена и испытана четырехгранная преобразуемая ферма. Эксперименты по раскладыванию и складыванию этой фермы в космосе были выполнены в 1986 году на орбитальной станции «Салют-7». В дальнейшем результаты этих экспериментов были использованы в агрегате для раскрытия и складывания многоразовых солнечных батарей, созданных в ИЭС для оснащения систем энергопитания орбитальной станции «Мир». Они успешно работали в космосе в течение ряда лет.

Выполненные исследования и опыт эксплуатации полностью подтвердили идею о высокой эффективности и гарантированном качестве крупногабаритных космических конструкций, базирующихся на принципе полного изготовления и компактной укладки в стационарных условиях на Земле и преобразования до рабочего размера после выведения в космос. Конструкции, создаваемые с помощью этого метода, могут использоваться и как самостоятельные, и как отдельные элементы других, еще более крупных сооружений. Имеющийся опыт изготовления, разворачивания, сварки и эксплуатации в космосе крупногабаритных конструкций говорит об их большой перспективности при создании следующих поколений орбитальных комплексов.