Обитаемые космические станции

В качестве критерия для классификаций взята степень изолированности экологической системы от внешней среды, т. е. способность к продолжительному функционированию без пополнения необходимыми продуктами извне. С этой точки зрения все экологические системы могут быть подразделены на незамкнутые (открытые), полузамкнутые и замкнутые.

В открытой системе кислород, вода и пища запасаются на все время полета, а накапливающиеся продукты жизнедеятельности постоянно удаляются из кабины. Открытые системы имеют несложное оборудование — баллоны, контейнеры, вентиляторы, приборы контроля за поступлением и удалением продуктов. Вес таких систем быстро возрастает с увеличением продолжительности полета и численности экипажа.

В полузамкнутой системе пища и питьевая вода также запасаются на все время полета, но первоначальный запас кислорода может быть взят небольшим, поскольку в такой системе предусматривается поддержание нормального состава атмосферы кабины одним из рассмотренных выше способов. В отличие от открытой системы в этом случае удаляются наружу не все продукты жизнедеятельности. Углекислый газ используется в ней для регенерации кислорода.

Для замкнутой экологической системы характерным является минимум отброса продуктов жизнедеятельности. Исходный запас продуктов, в том числе и пищевых, многократно регенерируется для повторного использования. Такие системы нуждаются в сложном оборудовании для осуществления в герметической кабине замкнутого кругооборота веществ, но «мертвый» вес этого оборудования практически не изменяется с течением времени, а первоначальный запас продуктов зависит только от численности экипажа.

Из диаграммы (рис. 26), показывающей зависимость веса систем жизнеобеспечения различных типов от продолжительности времени их применения для ОКС с тремя космонавтами на борту, можно увидеть, что небольшие ОКС, рассчитанные на продолжительность существования две — три недели или на частую смену экипажа с доставкой необходимых грузов, могут иметь экологические системы открытого типа [28]. Полузамкнутая экологическая система обладает приемлемым весом при продолжительности полета до двух месяцев (срок, считающийся вполне достаточным для ОКС со сменой экипажа и пополнением запасов пищи и воды с Земли грузовыми ракетами).

Рис. 26. Диаграмма изменения веса экологических систем в зависимости от времени полета ОКС с экипажем из трех человек:

1 — открытая система; 2 — полузамкнутая система; 3 — замкнутая система

Рассмотрим один из возможных вариантов незамкнутой экологической системы на примере американского проекта трехместной научной лаборатории «Сателлаб», рассчитанной на автономное существование на орбите в течение двух недель [28].

С целью повышения надежности основные отсеки «Сателлаба» имеют сдублированную систему жизнеобеспечения, принципиальная схема которой представлена на рис. 27. Капсула возвращения экипажа и отсеки лаборатории имеют идентичные, независимые друг от друга системы теплорегулирования и поддержания нормального состава атмосферы. На орбите в нормальных условиях функционирует система лабораторного отсека, в случае отказа последней включается система, размещенная в капсуле возвращения.

Рис. 27. Схема экологической системы обитаемой космической станции «Сателлаб»:

1 — автоматический регулятор расхода кислорода; 2 — ручной регулятор расхода азота; 3 — вентилятор; 4 — кондиционирующая установка; 5 — электростатический фильтр очистки воздуха; 6 — поглотитель CO2 и запахов; 7 — регулятор давления в кабине; 8 — отверстие подвода воздуха в кабину; 9 — отверстие забора воздуха; 10 — клапаны для подсоединения шлангов наддува скафандров; 11 — водяной насос; 12 — излучатель; 13 — кипятильник; 14 — обратный клапан

Поясним некоторые особенности рассматриваемой экологической системы, связанные с поддержанием нормальных атмосферных условий.

Кислород и азот запасаются в жидком виде, причем расход кислорода контролируется автоматически в зависимости от потребностей экипажа и полного давления в кабине; поступление же азота регулируется вручную. Углекислый газ непрерывно удаляется поглощением гидроокисью лития, хранящейся в специальных канистрах, каждая из которых рассчитана на сутки.

Вредные, газы и неприятные запахи поглощаются с помощью фильтров из древесного угля. Для этой же цели служат электростатические воздушные фильтры-ионизаторы. Очень важную роль выполняют вентиляторы, осуществляющие принудительную циркуляцию воздуха в кабине с целью рассасывания возможных в условиях невесомости застойных зон вредных газов. В аварийной обстановке космонавты могут надеть скафандры с наддувом воздухом. Изготовленный из пластиков скафандр вместе со шлемом и ботинками весит около 9 кг. К числу аварийных средств относятся и индивидуальные дыхательные приборы, используемые также при переходе из одного отсека в другой через шлюзовые люки.

Полный вес экологической системы «Сателлаб» без учета запаса пищи и питьевой воды составляет около 700 кг.

В настоящее время наиболее разработаны экологические системы открытого типа. Такие системы можно успешно использовать на первом этапе освоения околоземного космического пространства, учитывая возможность снабжения орбитальных станций с Земли. В дальнейшем, по мере увеличения числа и размеров обитаемых станций, будет выгоднее, видимо, перейти к созданию более сложных полузамкнутых и замкнутых систем жизнеобеспечения.

На крупных ОКС можно будет испытывать и отрабатывать замкнутые экологические системы будущих межпланетных кораблей, предназначенных для многолетних путешествий к отдаленным мирам.

ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ

Регулирование температуры входит в комплекс создания микроклимата внутри помещений ОКС.

Температурные условия на станции должны способствовать успешной работе экипажа и оборудования. Температуру внутри жилых помещений и приборных отсеков станции, а также тепловой режим конструкции станции необходимо поддерживать в заданных пределах в течение длительного времени.

Радиотехническая, фотографическая, энергетическая другая научная аппаратура, устанавливаемая внутри снаружи станции, потребует поддержания вполне определенной температуры. Большинство элементов современного авиационного и космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50 °C, но некоторые космические приборы нуждаются в еще более узком диапазоне температур.

Организм человека весьма чувствителен к колебаниям температуры окружающей среды; привычный диапазон температуры для него невелик — от +15° до +25 °C. Что является источниками тепла для ОКС? Это не только приборы, аппаратура, а также жизнедеятельность членов экипажа станции, но и внешние источники — Солнце и Земля, отражающая солнечные лучи и имеющая собственное тепловое излучение.

Тепловой поток от внутренних источников может изменяться в широком диапазоне величин в зависимости от числа членов экипажа и мощности тепловыделяющего оборудования. Тепло, выделяемое одним человеком, равно примерно тепловыделению 100-ваттной электролампы и составляет около 0,033 ккал/сек. По некоторым данным, тепловой поток от оборудования средней по размерам пятиместной ОКС может колебаться от 0,7 до 1,75 ккал/сек [16].

Особенностью теплового режима внутренних помещений ОКС является отсутствие вследствие невесомости естественной конвекции воздуха. Поэтому потребуется принудительная вентиляция, а это еще один источник тепла и потребитель энергии.

Количество тепловой энергии, поступающей от Солнца на площадку, перпендикулярную к солнечным лучам, в верхних слоях атмосферы равно 1140 ккал/м2•час. Как известно, альбедо Земли, т. е. доля отраженного от поверхности Земли солнечного теплового потока, равно 37 %. Собственное излучение Земли дает тепловой поток величиной 180 ккал/м2•час.

Основные проблемы терморегулирования ОКС — это теплоизоляция и отвод избыточного тепла в окружающее пространство. Отвод тепла в космосе возможен только излучением, так как конвективный теплообмен со средой у космических тел практически отсутствует.

Следует отметить, что создание системы терморегулирования осложняется неравномерностью тепловых потоков во времени. О нерегулярной работе оборудования говорить не приходится. Солнечный тепловой поток равен нулю при прохождении тени Земли. И излучение Земли, и отраженный поток также зависят от взаимного положения станции, Земли и Солнца, а также от облачного покрова Земли.

Воспринимающая внешние тепловые потоки наружная поверхность ОКС является одновременно излучающей поверхностью.

Как известно, количество излученного с поверхности тепла пропорционально четвертой степени температуры этой поверхности. Это значит, что, чем выше температура поверхности обшивки ОКС, тем больше она отдает тепла в космос. Но при этом для поддержания требуемой температуры внутри станции потребуется усиленная теплоизоляция, а может быть, и дополнительная система охлаждения.

На рис. 28 показана схема тепловых потоков в случае, когда температура наружной обшивки станции выше, чем температура внутренней стенки.

Пусть на поверхность наружной обшивки падает теплопоток Q₁ от внешних источников, а к внутренней стенке кабины подходит поток Q₂ от внутренних источников тепла. В зависимости от поглощательно-отражательной способности и теплопроводности наружной обшивки большая или меньшая часть внешнего тепла уходит обратно в окружающее пространство (поток Q₃). Остальная часть теплового потока (Q₁ — Q₃) проникает в межстеночный промежуток. Чем выше теплоизоляционные свойства этого промежутка, тем меньшая часть потока (Q₁ — Q₃) достигает внутренней стенки и тем больше температура наружной обшивки. Чтобы температура внутренней стенки не превышала верхнего установленного предела, внутренний теплопоток Q₂ и часть внешнего потока (Q₁ — Q₃) должны быть отведены от стенки.

Рис. 28. Схема теплового баланса на наружной обшивке орбитальной станции:

1 — внешняя оболочка; 2 — теплоизоляция; 3 — внутренняя стенка; 4 — поток охладителя; 5 — радиационный излучатель

Отвод тепла от внутренних стенок может производиться с помощью какого-либо жидкого теплоносителя, например воды. В этом случае вода циркулирует по вделанным в стенки трубам, забирает тепло, а затем поступает в специальный, расположенный на теневой стороне станции радиатор. Для отвода тепла, кроме того, могут быть использованы химические реакции или процессы изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение) с целью поглощения тепловых потоков. Если обозначить отводимое через радиатор тепло через Q₄, то можно написать уравнение теплового баланса для рассматриваемой стенки:

Q₁+Q₂ = Q₃+Q₄

Было бы сравнительно нетрудно обеспечить заданный температурный режим внутри ОКС с помощью радиатора расчетных размеров, если бы внешний и внутренний теплопотоки были постоянны во времени. Создать же гибкую систему с переменным теплоотводящим потоком — очень сложная задача. Необходимо, чтобы хотя бы один из потоков, входящих в тепловой баланс, например Q₃ или Q₄, можно было изменять. Одним из решений этой задачи является использование межстеночного промежутка с переменной теплоизолирующей способностью, позволяющей изменять поток Q₁ — Q₃. Несколько проще обстоит дело в случае охлаждения жидким теплоносителем — можно будет просто менять его расход. Но можно регулировать и теплопоток Q₃, т. е. изменять излучающую способность наружной поверхности. Этого можно будет достигнуть надлежащим подбором материала наружной обшивки ОКС, «скроив» ее из отдельных кусков так, чтобы участок с высокой отражательной способностью чередовался с участком, материал которого хорошо поглощает тепло. Ученые работают также над специальными тонкими керамическими покрытиями с переменной, зависящей от температуры, излучающей способностью. Представляет интерес также способ механического регулирования, теплопотока Q₃ с помощью выдвижных ставней или поворотных лопастей, меняющих поглощательно-отражательные свойства поверхности.

Здесь возникает также проблема подбора материалов для наружной обшивки конструкции ОКС с учетом их свойств как отражателей или поглотителей внешних излучений.

Количественно эти качества материала оцениваются отношением коэффициента поглощения a к коэффициенту его излучения e. В зависимости от величины a/e материал считается либо поглотителем тепла, либо его отражателем.

Некоторые полированные металлы (нержавеющая сталь, алюминий, сплавы магния) имеют высокое значение a/e — от 3 до 4,5. Это поглотители тепла.

Другие материалы являются отражателями тепловой радиации, например белые оксидные пленки алюминия (a/e ~ 0,3) или цинковые белила (a/e ~ 0,19). Очевидно, что поглотители будут нагреваться гораздо сильнее под действием тепловой радиации, чем отражатели.

Терморегулирование подбором материала обшивки следует рассматривать как простейший способ сохранения заданного теплового режима ОКС. Более сложными являются метод терморегулирования с замкнутым контуром теплоносителя и радиатором, о котором мы уже упоминали, и метод вакуумно-газовой изоляции. Суть последнего метода — в заполнении межстеночного промежутка обшивки ОКС специальным порошковым или волокнистым материалом, обладающим пониженной теплопроводностью. Увеличение термического сопротивления такой обшивки производится откачиванием, а уменьшение — нагнетанием воздуха (газа), который заполняет пространство между отдельными частицами изолирующего материала. При откачивании воздуха уменьшаются газовые промежутки между частицами изолирующего материала, теплоизолирующая способность растет за счет уменьшения доли тепла, передаваемого конвекцией газа. В качестве заполнителей могут быть применены такие волокнистые материалы, как термофлекс, керамофибровые заполнители и др. В качестве газа может применяться не только, воздух, но и, например, углекислый газ, азот, гелий или водород.

Вся оболочка конструкции ОКС может в этом случае состоять из отдельных автономных секций, каждая из которых будет наддуваться независимо от других. Подвод газа к различным секциям можно осуществить по-разному. Во-первых, газ может подаваться из запасенных на борту станции контейнеров, где он будет находиться под давлением или в жидком состоянии. Во-вторых, в обычный материал изоляции может быть включено специальное вещество, способное, например, при увеличении температуры внутренней поверхности обшивки выделять газ, благодаря чему увеличится теплоотвод. Расход газа, потребный для эффективного терморегулирования с помощью вакуумно-газовой изоляции, оказывается небольшим.

Поскольку, как правило, одна часть поверхности станции будет оставаться холодной, а другая нагретой, то секционный принцип терморегулирования позволит обойтись очень небольшим количеством газа даже в том случае, когда для повышения теплосопротивления часть газа придется стравливать наружу.

По ориентировочным расчетам, одного литра жидкого азота в системе наддува термоизоляции ОКС достаточно для надежного терморегулирования обшивки с площадью поверхности 90 м2.

Для крупных станций эффективность такой системы терморегулирования может оказаться недостаточной. Тогда потребуется применение системы с циркуляцией теплоносителя по замкнутому контуру. При этом, конечно, система значительно усложнится, так как потребуются перекачивающие насосы, теплообменники, дополнительное количество трубопроводов. В системах, построенных по этому принципу, в качестве теплоносителя лучше всего использовать воздух или воду.

Более простой является воздушная система охлаждения, состоящая из нескольких каналов, по которым протекает воздух из кондиционирующей установки. Если температура внутренней стенки находится на заданном уровне, то весь кондиционированный воздух поступает прямо в кабину. При повышении температуры воздух направляется в каналы, расположенные в данный момент времени на «холодной» стороне станции, и охлажденным подается в кабину.

Более сложная схема терморегулирования с замкнутым циклом теплоносителя предполагает окружение внутренних стенок кабины водой, протекающей через сеть тонких трубок. Подобная схема, включенная в общую систему обеспечения жизнедеятельности экипажа орбитальной научной лаборатории (американский проект «Сателлаб»), показана на рис. 27. Система терморегулирования «Сателлаб» предназначена для передачи тепловых потоков от тепловыделяющего оборудования и нагретых участков обшивки к расположенному на теневой стороне радиатору и состоит из множества наполненных водой трубок, нескольких подводящих и отводящих магистралей, перекачивающих насосов и двух кондиционирующих установок теплообменного типа. Регулирование теплового режима осуществляется изменением расхода воды через соответствующие магистрали, а также циркуляцией воздуха кабины через кондиционирующие установки. Большая эффективность системы достигается раздельным регулированием температуры в кабине и в контейнерах с электронной аппаратурой. Главные источники внутреннего нагрева, например координационно-вычислительное оборудование, теле- и радиоаппаратура, изолируются от атмосферы кабины и имеют свои собственные системы терморегулирования, подобные тем, которые применяются в настоящее время в авиации и на ракетах.

В заключение нужно отметить, что, хотя при любом способе терморегулирование на ОКС должно осуществляться автоматически, необходимо все же предусмотреть возможность активного вмешательства в процесс регулирования температурного режима со стороны экипажа.

ИСКУССТВЕННАЯ СИЛА ТЯЖЕСТИ

Над проблемой человек в невесомости давно работают многие специалисты космической медицины, но, несмотря на наличие экспериментальных данных, много вопросов, связанных с влиянием невесомости на человека, остаются пока неразрешенными. Главное в этой проблеме — переносимость человеком длительного пребывания в невесомости и перехода затем к нормальным условиям.

До полетов человека в космос с помощью лабораторных исследований не удавалось даже сколько-нибудь приблизиться к разрешению этих вопросов. Объясняется это прежде всего трудностью получения невесомости в наземных условиях. Известно, например, что наибольшая продолжительность состояния невесомости, достигаемая обычными, некосмическими средствами (при полете самолета по специальной параболической траектории), составляет всего около 1,5 мин. Однако даже в этих условиях удалось установить, что состояние невесомости неодинаково переносится разными людьми. Одни вполне удовлетворительно чувствуют себя в невесомости, испытывая приятное ощущение необычайной легкости, другие, наоборот, испытывают состояние непрерывного падения, ощущая при этом тошноту и головокружение.

Полет первого космонавта Ю.А.Гагарина был одним из самых смелых экспериментов в мировой науке. Ведь до него никто не мог сказать вполне определенно, как будет вести себя человек после полуторачасового пребывания в невесомости.

Полет Титова — это 25 часов, а полет Быковского — это почти пять суток в состоянии невесомости. Значение этих полетов для создания будущих ОКС трудно переоценить.

Здесь мы не будем останавливаться на психико-физиологических воздействиях невесомости на человека***. Скажем только, что нормальная жизнь и работа на борту ОКС могут быть вполне возможны и в условиях невесомости, но лишь в том случае, если все члены экипажа пройдут специальную тренировку. В противном случае уже через некоторое время возможна полная или частичная потеря пространственной ориентировки и координации движений. Причина этого — нарушение функционирования вестибулярного аппарата и прекращение поступления обычных рецепторных сигналов от мышц и сухожилий после «исчезновения» веса тела. Возможно, что длительная весовая разгрузка скелетных мышц отрицательно скажется на их тонусе, а следовательно, и на состоянии всего организма.

Только длительной специальной тренировкой можно достичь известной приспособляемости организма человека к необычным условиям полета в невесомости и добиться хорошей ориентировки в пространстве, координации движений.

Такая тренировка не понадобится лишь в том случае, если конструкция ОКС позволит получить постоянно действующую искусственную силу тяжести в рабочих и жилых помещениях ОКС. Создание искусственной гравитации на орбите возможно с помощью центробежных сил, возникающих при равномерном вращении элементов конструкции, отнесенных на некоторое расстояние от центра вращения. Величина создаваемой гравитации определится этим расстоянием и скоростью вращения.

Технические проблемы осуществления искусственной силы тяжести на больших ОКС не являются непреодолимыми. Энергетические затраты будут также невелики. Первоначальный момент вращения может быть создан кратковременным включением небольших ракетных двигателей, а энергетические затраты на поддержание заданной угловой скорости будут ничтожно малыми. Если вращаться будет вся конструкция ОКС целиком, то единственное и очень слабое тормозящее действие будут оказывать лишь остатки атмосферы; если же вращение будет сообщено лишь расположенным на периферии жилым отсекам, а центральная часть конструкции будет неподвижна, то торможение будет вызываться также и трением в соединениях и подшипниках.

Однако в физиологическом отношении преимущества искусственной тяжести, создаваемой вращением, перед состоянием невесомости во многом являются пока спорными.

Уровень гравитации на Земле определяется ускорением силы тяжести, равным в среднем 9,81 м/сек2 («перегрузка» 1 g). Значение необходимого уровня гравитации на орбитальной станции нуждается еще в серьёзных экспериментальных исследованиях. Однако уже сейчас можно сказать, что особой необходимости в создании ускорения, эквивалентного нормальной земной гравитации, нет, так как уровень гравитации, в три — четыре раза меньший земного (0,25-0,3 g), переносится человеком вполне нормально. Каким же образом можно получить подобный уровень гравитации?

Из механики известно, что центростремительное ускорение равно радиусу вращения, умноженному на квадрат угловой скорости. Очевидно, желаемый уровень искусственной гравитации можно создать либо быстрым вращением на малом радиусе, либо медленным вращением на большом радиусе. Физиологические возможности человеческого организма накладывают вполне определенное ограничение на величину допустимой угловой скорости. Многочисленными экспериментами на центрифугах выявлено, что уже при скорости, большей 4 об/мин, у испытуемых возможно нарушение нормального функционирования вестибулярного аппарата.

С другой стороны, при уменьшении радиуса вращения уменьшается окружная скорость и, следовательно, увеличивается процентное ее изменение по направлению от ног к голове стоящего человека. Испытаниями на центрифугах установлено, что это изменение не должно превышать 10–15 %; в противном случае при движениях космонавта будут возникать неблагоприятные для его самочувствия кориолисовы ускорения. Ориентируясь на средний рост человека, легко подсчитать нижний предел, для окружной скорости вращения кабины. Он оказывается равным примерно 6,7 м/сек. При угловой скорости 4 об/мин такая окружная скорость может быть получена на радиусе 16 м, а развиваемое при этом центростремительное ускорение составит всего одну треть от земного ускорения силы тяжести.

Поскольку величина 16 м есть минимально допустимая для радиуса вращения кабины, для небольших ОКС предпочтение будет отдано, видимо, состоянию невесомости (по конструктивным соображениям), тем более что эффект невесомости весьма интересен для выполнения многих физических, химических и биологических экспериментов. Более того, проведение большинства геофизических и астрономических исследований, выполнение задач навигации и управления требуют наличия стабилизированной невращающейся платформы. Что касается экипажа, то ученые теперь не без основания считают, что для натренированного человека пребывание в состоянии невесомости по крайней мере в течение двух — четырех недель не представит большой сложности.

Кабина ОКС без искусственной тяжести будет иметь некоторые особенности. Все предметы в ней должны быть надежно закреплены, а внутренние стенки покрыты мягкой обивкой, чтобы обезопасить «плавание» космонавтов. Расположение в кабине приборов и оборудования, а также их окраска должны способствовать быстрой ориентации оператора, невольно ослабленной невесомостью. Кресла для работы и отдыха должны быть удобными и снабжены привязными ремнями. Для облегчения передвижения и работы внутри кабины и вне ее можно применить слегка намагниченные обувь и перчатки или снабдить космонавтов воздушными реактивными пистолетами.

Крупные ОKС будущего с экипажем в несколько десятков и сотен человек и длительным непрерывным прерыванием на орбите, несомненно, будут иметь искусственную тяжесть. Неподвижные отсеки таких станций, расположенные над осью вращения, могут использоваться в качестве причалов, а также как рабочие помещения — в них будет располагаться оборудование, нуждающееся в постоянной ориентации. Условия для жизни и работы космонавтов на больших станциях будут максимально приближены к обычным условиям земного существования.

НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Необходимость обеспечения длительной и надежной работы конструкции ОКС и ее многочисленного оборудования выдвигает перед учеными и инженерами ряд специфических задач, которые до сих пор почти не встречались в инженерной практике. Из этих задач мы рассмотрим лишь некоторые, постановка которых в технической литературе представляется сейчас наиболее интересной.

Нагрузки и демпфирование. С точки зрения строительной механики конструкция выведенной на орбиту ОКС представляет собой изолированную систему, лишенную поддерживающего фундамента и практически свободную от обычного для самолетных конструкций действия гравитационных сил, которые уравновешены центробежными силами, и аэродинамических нагрузок, пренебрежимо малых из-за чрезвычайной разреженности атмосферы.

Все это говорит о том, что конструкции космических аппаратов должны быть принципиально отличными от конструкций обычных летательных аппаратов, предназначенных для полетов в атмосфере. При этом главную роль для конструкции ОКС играют два типа статических нагрузок. Нагрузки первого типа возникают от внутреннего давления — наддува. Наддуву воздухом подвергаются жилые и рабочие отсеки ОКС. Создание таких отсеков достаточного объема требует разработки легких и прочных оболочек, хорошо воспринимающих внутреннего давление, близкое к нормальному атмосферному. Появление нагрузок второго типа — от центробежных сил — возможно тогда, когда всей конструкции или части ее сообщается постоянная скорость собственного вращения для создания искусственной силы тяжести. Максимальная нагрузка при этом будет равна по величине создаваемой силе тяжести.

Динамические нагрузки на конструкцию ОКС будут несравнимо меньшими по величине, нежели нагрузки на атмосферный летательный аппарат.

Тем не менее проблема демпфирования колебаний конструкции ОКС, нуждающейся в точной ориентации и стабилизации, считается очень важной. Между гашением колебаний в обычных строениях и демпфированием в орбитальной конструкции существует принципиальная разница. Большая часть энергии динамических нагрузок, воспринимаемых наземным сооружением при землетрясении или сильных порывах ветра, передается фундаменту и затем рассеивается в грунте, а также идет на возбуждение колебаний окружающих воздушных масс. Вся энергия динамического возбуждения конструкции ОКС, являющейся изолированной механической системой, должна быть поглощена и рассеяна внутри самой конструкции.

Демпфирование должно произойти за счет деформации элементов конструкции или за счет трения при относительном сдвиге деталей соединения (например, заклепочного). Последний тип демпфирования называется скользящим.

Смазка. Смазывание трущихся элементов машин в космосе необходимо не только для уменьшения трения, а следовательно, и энергии, потребной для перемещения и охлаждения движущихся деталей, но и для предотвращения взаимного схватывания (сваривания) трущихся элементов. В условиях космического вакуума это явление может возникнуть из-за отсутствия между трущимися поверхностями обычной в земных условиях тонкой пленки водяного пара в несколько молекул толщиной.

Отсутствие такой пленки в условиях космоса способствует, кроме того, повышенному испарению смазки и сублимации (испарению с твердой поверхности) самих металлов. Это явление представляет известную опасность для механических элементов — шестерен, подшипников, кулачков, а также для электрических контактов реле и переключателей.

Применение обычных нефтяных и жировых смазок для ОКС в условиях низкого вакуума чрезвычайно затруднено. В известном смысле задача обеспечения надежной смазкой в вакууме подобна проблеме смазки при нормальных давлениях, но повышенных температурах. Как нагрев, так и уменьшение давления увеличивают скорость испарения нефтяного масла или жировой смазки, в результате чего увеличивается сила трения в движущихся деталях. При этом температура деталей повышается, что еще больше способствует испарению смазки. Поэтому для смазки наружных агрегатов ОКС должны применяться специальные жиры и масла с низким давлением паров, в частности такие, которые разработаны в настоящее время для вакуумных насосов и высокотемпературных нагруженных деталей.

Трудность при конструировании системы смазки, предназначенной для работы в вакууме, состоит еще и в том, что необходимо учитывать возможность выдувания смазочных материалов из подшипников и других смазываемых деталей в процессе выведения космической станции на орбиту, когда наружное давление быстро уменьшается.

А как будет влиять на смазку деталей и механизмов OKC отсутствие кислорода в космической среде? С одной стороны, это обстоятельство можно считать благоприятным, поскольку в, смазке не будет образовываться вредный отстой вследствие реакции масла или жира с кислородом. С другой стороны, без кислорода на трущихся поверхностях не образуется окисная пленка. Между тем экспериментально установлено, что смазка осуществляется благодаря химической реакции между металлом поверхности и входящими в состав масла жирными кислотами. Эти реакции протекают только при наличии окисной пленки и усиливаются в присутствии кислорода и воды. Невозможность протекания таких реакций в условиях космической среды будет также ухудшать процесс смазки.

Разрабатываемые в настоящее время принципиально новые виды смазок найдут широкое применение на opбитальных станциях. Например, смазочным материалом в вакууме может быть тонкая пленка из мягкого металла (рис. 29), помещенная между двумя трущимися деталями. Сила трения F при этом будет небольшой, так как нагрузка давления будет восприниматься на небольшой площади контакта А и при небольшом касательном напряжении S. В качестве материала для такой смазывающей пленки в особо ответственных сочленениях можно использовать серебро или золото.

Рис. 29. Влияние структуры трущихся деталей на величину силы трения

В качестве вакуумной смазки может быть применен и твердый материал — сернистый молибден, структуру которого такова, что атомы серы допускают проскальзывание разных слоев металла относительно друг другу.

Внедрение смазки твердыми материалами связано с определенными трудностями. Во-первых, коэффициент трения твердых смазок все-таки намного выше, чем жидких. Это приводит к большому выделению тепла, которое к тому же трудно отвести, поскольку нет обычного при жидкой смазке протока масла. Во-вторых, твердые смазки не так живучи, как жидкостные смазочные системы, в которых масло постоянно очищается и обновляется. Тонкие пленки твердой смазки подвержены значительному износу и не способны самовосстанавливаться. Простое утолщение пленки не решает проблемы живучести, так как, чем толще пленка, тем труднее обеспечить надежное ее сцепление с основной поверхностью. Получение хорошего сцепления твердой смазывающей пленки выдвигает особые требования к чистоте обработки поверхности трения.

В некоторых подвижных деталях оборудования ОКС можно будет вообще обойтись без смазки. В состоянии невесомости на опоры не будет действовать нагрузка от веса деталей, поэтому важно лишь обеспечить небольшие усилия трения, а прочностные требования отступают в этом случае на второй план. Это значит, что детали таких агрегатов можно сделать из легких органических материалов, имеющих низкие коэффициенты трения. Некоторые пластики, например тефлон и нейлон, уже используются в качестве материала для самосмазывающихся шестерен и подшипников в самолетостроении. Тефлон, мягкий, но стойкий термопластик, обладает из вcex известных твердых веществ наименьшим коэффициентом трения (0,04). Для повышения сопротивляемости износу детали из тефлона обычно армируют металлическими волокнами, графитом, стеклянным порошком или сернистым молибденом. Применяют его и в качестве смазывающего наполнителя. Пористые металлические поверхности, наполненные тефлоном, имеют такой же коэффициент трения, как и чистый тефлон, и отлично противостоят деформациям и износу. Фрикционные свойства нейлона несколько хуже, чем тефлона, но зато он более тверд и износоустойчив.

Необходимо отметить все же, что использование для смазки узлов конструкции ОКС пластических материалов ограничивается их невысокой антирадиационной стойкостью.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В КОСМОСЕ

Длительное функционирование научной ОКС невозможно без развитой сети энергоснабжения на борту станции.

Пока еще не представляется возможной передача энергии с Земли прямо на борт орбитального корабля. Использование электромагнитных колебаний для беспроводной передачи энергии на расстояние дало бы, по некоторым оценкам, суммарный к. п. д. всего лишь около 0,02 %. Правда, большие возможности в этом отношении таит изобретение последних лет — квантовый генератор. Концентрация энергии в пучки высокой плотности обещает целую революцию в области передачи энергии.

А пока конструкторам ОКС приходится решать проблему источника энергии, который обладал бы качествами, свойственными всему космическому оборудованию. Электростанция орбитальной станции должна обладать чрезвычайно высокой надежностью при длительном сроке непрерывной работы, она должна быть полностью автоматизирована и иметь относительно небольшой вес. Кроме того, источник энергии на борту ОКС должен быть высокоэкономичным и не реагировать на специфические факторы космического полета (невесомость, радиацию, метеорную опасность и т. п.).

Как известно, создать энергию нельзя. Ее можно лишь откуда-то получить и соответствующим образом преобразовать. Но где же брать энергию в космосе? Может ли источник ее находиться непосредственно на борту ОКС или энергию нужно получать извне?

Прежде чем ответить на эти вопросы, следует получить хотя бы некоторое представление о потребностях ОКС в электроэнергии.

Основные потребители тока — это научно-исследовательское и специальное техническое оборудование, система обеспечения жизнедеятельности экипажа, радиоаппаратура связи с Землей или какими-либо космическими объектами, а также различные вспомогательные установки, например для управления ориентацией станции, для коррекции и изменения ее орбиты.