Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
В невесомости легче создавать и новые лекарства, но об этом – в следующей главе.
Материалы
Невесомость на борту космических аппаратов открывает большие возможности для создания новых материалов. Процессы тепло- и массопереноса протекают иначе, чем на Земле, позволяя смешивать вещества, которые нельзя смешать в земных условиях, создавать принципиально новые структуры или улучшать уже известные.
Хотя преимущества экспериментов в этой области очевидны, они начались далеко не сразу. Сначала космонавтам нужно было научиться летать в космос, а потом организовывать производство. К тому же первые орбитальные корабли были небольшими, и сложные установки туда просто не помещались. Первый материаловедческий эксперимент был проведен только в 1969 году. В корабле «Союз‐6» была смонтирована установка «Вулкан», представлявшая собой электронную пушку, которая генерировала мощный пучок электронов с высокой кинетической энергией за счет ускорения заряженных частиц электромагнитным полем. При их столкновении с материалами энергия переходит в тепло и расплавляет даже металл. Этот метод в качестве процесса сварки был открыт на Земле и быстро приобрел популярность благодаря высокой точности при локализации нагрева. Так стало можно сваривать даже очень тонкие листы из разных металлов. Правда, атмосферные газы легко блокируют электроны, и потому метод может работать только в вакууме. Создать его на Земле непросто – нужны мощные насосы. В космосе проблем нет, а концентрация атомов даже на низкой околоземной орбите в разы меньше, чем в самой лучшей вакуумной камере.
Члены экипажа корабля «Союз‐6» Георгий Шонин и Валерий Кубасов подготовили установку к работе в бытовом отсеке корабля, а сами перешли в спускаемый аппарат. После закрытия люков камера с электронно-лучевым сварочным аппаратом была разгерметизирована и работала в вакууме в автоматическом режиме. Полностью успешным эксперимент назвать нельзя – оказалось, что пучок электронов после сваривания нескольких образцов продолжил прожигать все на своем пути, в том числе оплавил обшивку корабля. После отключения «Вулкана» космонавты закачали воздух в бытовой отсек и обнаружили повреждения – даже риск непреднамеренной разгерметизации. Шонин и Кубасов максимально быстро собрали все необходимые вещи, в том числе полученные образцы, закрылись в спускаемом аппарате и больше в бытовой отсек не возвращались. Планировалось испытать три режима работы, но прибор успел поработать только в двух. Тем не менее удалось получить стыковые, отбортованные и нахлесточные сварные соединения, многие качеством выше, чем такие же на Земле. Одним из главных плюсов было отсутствие насыщения расплавленного металла газами, так как при сварке на воздухе, пока вещество жидкое, в нем растворяется кислород и другие газы, что приводит к снижению прочности недалеко от шва. Хотя электронно-лучевая сварка на Земле тоже осуществляется в вакууме, в космосе результат лучше.
Есть еще одна проблема: при нагревании сплавов тугоплавких и легкоплавких металлов второй может успеть испариться и, будучи в газовой фазе, улететь. Это тоже приводит к потере качества готового изделия у сварного шва. В невесомости, даже если легкоплавкая компонента испаряется, она не покидает расплавленную заготовку.
Самое главное, что в эксперименте ученые наблюдали процессы переноса тепла, изучили скорость кристаллизации и плавления в металлах на разной глубине и при перепаде температур. Выяснилось, что в вакууме вещества охлаждаются значительно быстрее. На Земле при этом возникает риск появления трещин при тепловом расширении и сжатии металлов, а в космическом вакууме перепад температур хотя и выше, но невесомость частично компенсирует этот эффект. Минусы работы на орбите связаны с магнитным полем Земли, которое немного изменило фокусировку пучка, приведя к неоптимальной работе прибора.
Кроме электронно-лучевой сварки планировалось попробовать и другие методы: сварку сжатой дугой низкого давления и плавящий электрод. Но часть эксперимента не удалась, другая, хоть и дала удовлетворительный результат, не выглядела перспективной. Как до, так и после полета проводились исследования в условиях кратковременной невесомости – при сбрасывании с высоты или в специальных самолетах-лабораториях, после чего была разработана теория сварки с глубоким проплавлением металла, а несколько методов были признаны улучшающими качество.
Первый электронно-лучевой сварочный аппарат весил около 80 килограммов, для «Союза‐6» его облегчили до 50 килограммов. В 1984 году был сконструирован универсальный ручной инструмент (УРИ), который мог не только сваривать металл, но и резать, паять и напылять покрытие. Испытать технологию доверили Светлане Савицкой и Владимиру Джанибекову. Они сделали это при выходе в открытый космос – первый случай в истории, когда за бортом космического аппарата работала женщина. Резка оказалось не очень удачной, так как в невесомости нет опоры и упора, а без них достаточно сложно выполнять ровные движения, особенно в неповоротливом скафандре. Так и образцы что у Савицкой, что у Джанибекова получились достаточно кривыми на срезе. Дополнительную проблему создают инерция и сила поверхностного натяжения. В космосе без трения любое движение заставит предметы лететь без остановки, а еще может привести к деформированию металла, пока он жидкий. Часть атомов, получив скорость от толчка, будет по инерции стремиться улететь дальше, но их удерживает сила поверхностного натяжения. Капля металла будет вытягиваться, как капли воды во время дождя, превращаясь в вытянутый шар с острым кончиком. При сварке и пайке такие капельки могут образоваться и успеть застыть, и на месте шва тогда получаются своеобразные шипы или «брызги». Еще одна проблема – контроль температуры. В безвоздушном пространстве космоса не образуются так называемые цвета побежалости, которые часто используют сварщики, чтобы на глаз определить температуру металла. При нагреве сталь начинает активно окисляться с образованием пленки, свет отражается от самого металла и от тонкого слоя оксида. Возникает эффект сложения и преломления волн, который приводит к появлению радуги, и в зависимости от температуры слоя цвет будет разным. Опытные сварщики ориентируются на это явление, сразу определяя качество изделия. Но в условиях космического вакуума нет кислорода и пленка не образуется, а значит, и визуально оценить температуру невозможно. Для контроля нагрева используются инфракрасные температурные датчики.
Но, несмотря на все проблемы, качество сварки было оценено как очень высокое, и преимущества и перспективы сварки в космосе очевидны. Леонид Кизим и Владимир Соловьёв на станции «Мир» провели еще один эксперимент по сварке, уже почти в «боевых» условиях. Они не просто соединили образцы, которые потом вернулись на Землю, а собрали
