Многоразовый космос

Автор: | Февраль 10, 2018

Товарищи дорогие! Не надо меня убеждать, что Илон Маск — гений, все равно не поверю. Но поскольку все эти убеждения происходят со стороны людей, не могущих, или не желающих, вести полноценный аргументированный диалог, я думаю, будет лучше, если я в небольшом цикле один раз расскажу о некоторых вещах, связанных с космонавтикой, в первую очередь пилотируемой и многоразовой. Просто потому, что мне скучно слышать одну и ту же идиотическую фигню. А попутно — в нужных местах — мы разберем некоторые высказывания «святого Илона», с точки зрения вполне себе дискурсивной, критической, и опирающейся на вполне известные и достоверные факты…

Это было вступление к циклу.

Запомните, пожалуйста, дату. 27 января 1967 года. Запомните, пожалуйста, место. Космический центр имени Кеннеди, остров Мерритт, Флорида, США. Запомните, пожалуйста, фамилии. Гриссом. Уайт. Чаффи. Вот так они выглядели возле своего корабля:

А вот так они стали выглядеть после «полета»:

Теперь вы готовы к участию в первом нашем разговоре.

С чего начинается космический полет? С ракеты? С корабля? С проекта этой ракеты и этого корабля? Нет, ребята, космический полет начинается с материалов, из которых мы будем строить нашу ракету и наш корабль, с топлива и окислителя — то есть тоже материалов — которыми мы их будем заправлять. Вот с чего начинается космический полет на самом деле.

Материалами занимается специальная наука — материаловедение — которая изучает различные вещества и их комбинации в различных условиях. Материаловеды — это такие ничем не примечательные люди, которые днями сидят в ничем не примечательных лабораториях, иногда имеют дело со сложнейшим и дорогущим оборудованием, но в общем — вполне себе обычные такие щуплые чахоточные очкарики и близорукие целлюлитные тетеньки с очками в два пальца толщиной, вся крутость каковых дяденек и тетенек заключается в том, что они возились с разной фигней и дышали химикатами, от одних названий которых у вас начнутся панические атаки и настанет непрекращающаяся диарея.

Материаловеды занимаются изучением свойств материалов.

Давайте подумаем, из какого материала мы будем делать обшивку нашего корабля. Можно делать из металла. Можно делать из композита. Спускаемый отсек корабля Союз выполнен из алюминиевого сплава, покрытого слоем композита, обеспечивавшего теплозащиту.

Возникает вопрос. Почему весь корпус не выполнить из композита? Здесь мы сталкиваемся с такими специфическими вещами, как вакуум и радиация.

Композит («стеклопластик») состоит из армирующего компонента — волокон или ткани из прочного инертного вещества, например стекла или углеволокна — и заполнителя. Заполнители бывают термопластического и реактопластического типа, а также терморазлагаемые и нетерморазлагаемые. В чем разница?

Заполнителем в композите обычно служит смола, которая тем или иным образом приводится к отвердению. Смола — это органическое соединение, и все фишки, присущие органике, свойствены и ей. Так, энергетика молекулярных связей в смоле не превышает такой для любого органического соединения (связи C-C, C-H, C-OH, C-Cl и т.д. не зависят от конкретного вещества, где встречаются). А это означает, что под воздействием ионизирующего излучения молекулы органические начинают распадаться. Существует не так много органических соединений, присутствующих в космосе в естественном виде, самое сложное из них — мочевина. Недавно обнаружили спирт в естественных условиях. Все более сложное под воздействием радиации будет разлагаться. Соответственно, прочностные характеристики композита, как и любого другого органического вещества, под воздействием радиации будут деградировать.

Существует колоссальная разница между обычным композитом, например, карбоном корпуса вашего ноутбука, и «космическим» композитом. Поскольку композит состоит из двух компонент — из матрицы (армирующей) и заполнителя (смолы), то легко догадаться, что пропорции этих двух компонент могут отличаться. Чем больше заполнителя и меньше основы, тем сильнее такой композит подвержен деградации под воздействием радиации. Так, бытовой фибергласс на основе рубленного стекловолокна со временем становится хрупким даже просто лежа на балконе. Очень мало основы, очень много заполнителя. Кто хоть раз ходит в Политехнический музей или на ВДНХ (когда-то где-то там стоял спускач Союза), тот мог заметить главную особенность композитной оболочки спускаемого аппарата. Минимум заполнителя, максимум основы.

Активные с точки зрения ионизирующего воздействия типы космических излучений — это протоны, альфа- и бета- лучи — не оказывают воздействия на материал основы (стекло). Посмотрите на фотографии спускача Союза после спуска на Землю — он обгорел, но конструкционной целостности не потерял. В общем и целом композитный материал спускача Союза, насколько я помню, очень напоминает стеклотекстолит — но стеклотекстолит с чудовищной плотностью основы. Помимо теплозащитных качеств, композитное покрытие придает алюминиевому герметическому слою дополнительную механическую прочность от локальных воздействий. Во время лунных экспедиций астронавтам приходилось крайне осторожно передвигаться в лунном модуле, толщина обшивки которого была менее миллиметра. Как они сами шутили — можно пробить дырку, случайно махнув рукой. Ну, в спускаче Союза, конечно, размахивать молотком не рекомендуется — но случайно корпус пробить невозможно, а в случае попаданий микрометеоритов происходит нарушение поверхностного композитного слоя, при котором герметическая металлическая капсула сохраняет цельность…

Мы видим, как в одной конструкции сочетаются два качества материала. Способность к упругой и пластической деформации аллюминиевого сплава, и жесткость композита, обеспечивающего дополнительную прочность при локальных воздействиях, что в комплексе обеспечивает герметичность. Дополнительная же теплоизолирующая функция сохраняет вполне комфортный микроклимат в аппарате как в холоде космоса, так и на этапе спуска в атмосфере.

Обитаемый отсек корабля Союз выполнен уже не из алюминиевого, а из магниевого сплава, и вместо композитной «брони» покрыт вакуумной теплоизоляцией на тканевой основе. Тканевая изоляция также покрывает и спускаемый аппарат, но на приведенной схеме видно, что толщина обшивки обитаемого отсека существенно меньше толщины обшивки спускаемого аппарата:

Все просто. Если в обитаемом отсеке возникнет дырка — можно будет укрыться в спускаче, но если дырка возникнет в спускаче — укрыться будет уже негде…

Мы видим в данном случае комплексное решение, включающее в себя как конструкционное, так и материаловедческое решение. Более прочный и легкий магниевый сплав в обитаемом отсеке, более безопасный алюминиевый — в спускаемом аппарате, с дополнительным усилением (оно же теплоизоляция) композитным материалом. Избыточная прочность и защищенность спускаемого аппарата, требующаяся для гарантированного возвращения на Землю экипажа, компенсируется легковесностью обитаемого отсека. Благодаря такому сложному комплексному решению корабли Союз могут многие месяцы находиться в космическом пространстве, будучи пристыкованными к станции, и полностью сохранять свои эксплуатационные качества.

Более того, в одном из проектов развития МКС был вариант, согласно которому к станции должны были быть постоянно пристыкованы несколько Союзов на случай необходимости экстренной эвакуации космонавтов. Было это во времена Шаттлов, когда численность космонавтов на станции могла превышать число посадочных мест в прилетевших с экспедициями Союзов, но со временем, с концом эксплуатации челноков, необходимость в подобном решении отпала. Между прочим, если бы этот вариант воплотили в реальность, и на МКС были «запасные посадочные места», то теоретически, экипаж Колумбии можно было спасти, эвакуировав его на МКС и отправив на Землю на Союзах…

Допустим, мы не хотим изобретать технологию сверхплотной намотки основы для композитного покрытия спускаемого аппарата. И решаем ограничиться только металлом. Что может произойти? 23 февраля 1997 года на станции Мир произошел пожар. Станцию удалось спасти. 25 июня 1997 года при отработке ручной стыковки произошло столкновение с кораблем Прогресс, повлекшее разгерметизациеу модуля «Заря», пристыкованного к станции Мир. После отсоединения модуля на станции была обнаружена утечка воздуха, место которой так и не смогли обнаружить. Эксплуатация станции с дополнительным фактором риска (утечка воздуха) была признана нерациональной. Обшивка станции Мир представляла из себя герметичную металлическую оболочку, без композитного усиления, с вакуумной тканевой теплоизоляцией.

Проблема материаловедческого решения в космонавтике — это достаточно серьезно. Каждый грамм веса, выведенный на орбиту — стоит сумасшедших денег. Небольшая шутка по этому поводу (Олег Дивов, «Эпоха великих соблазнов»):

– И с кувалдой. Признайтесь, господин Кучкин, вы ее украли? Мне только сейчас пришло в голову, что я никогда не видел никакой кувалды в ТМ4. Извините, кажется, я выдал вас, докладывая Земле о потерях инструмента. Клянусь, не хотел.

– Расслабьтесь. Хорошая вещь? Я знаю, почему она вам так нравится. Кувалда вам нравится, потому что это ваша мифология. Бог Тор. Я прав? Не смейтесь. Это еще психология. Вы берете кувалду в руки, и… э-э… нечувственно?.. Нет. В общем, часть вашего сознания понимает: вот именно та штука, которую должен иметь реальный немец. Вы не думаете, что вы могучий Тор, но чувствуете себя богом. И вы счастливы. Знаете, я подарю ее вам. После всего. Если посмотреть научно, это не кувалда, а просто биг рашен хаммер. Но это хаммер, который был в космосе! Три раза.

– Три раза?! – поразился Шульте. Слушая вдохновенный монолог Кучкина, он усмехался, а тут у немца глаза полезли на лоб.

– Ну… Мужик без кувалды не мужик, – скромно заметил Кучкин.

– Я понял, не переводите. А вы пробовали сосчитать, каких денег ваш хаммер стоит теперь, после трех подъемов на орбиту? Он же золотой.

– Хм… Я как-то не думал об этом.

– Три килограмма? Четыре?

– Три. Оптимальная масса для монтажа и демонтажа всяких… Устройств, которые тут есть. А вы решили, я могу взять в космос бесполезную вещь?

– О нет, я же видел ее в деле! Но вы посчитайте! Три подъема! Девять килограммов! Почти сто тысяч долларов!

Кучкин глубоко задумался. Шульте с интересом наблюдал, как у русского пилота идет процесс осознания.

На Аллена, скорчившегося в углу, оба старались не смотреть.

Кучкин умножал разные суммы на девять и жалел, что закончилась эпоха шаттлов. А то кувалда легко набрала бы тысяч под триста. И в шаттле удобнее прятать контрабанду. Впрочем, американские Оу-Эс-Эй по сравнению с четвертыми «Союзами» тоже были просторными и не могли похвастаться низкой стоимостью заброски грузов на орбиту.

Между прочим, Шульте, подобно большинству европейцев, успевших поработать с русскими, называл маленький космический самолетик не «Оу-Эс-Эй», и даже не «ОСА» – он говорил «Веспа». Американцы почему-то считали это прозвище уничижительным, все остальные совсем наоборот.

– Если бы я летал на «Осе»!.. – сказал Кучкин наконец.

– О да! – согласился Шульте. – Кувалда стала бы намного дороже. Но и так неплохо.

– Пусть сначала оплатят мне все нештатные ситуации, в которых работал биг рашен хаммер, – сообщил Кучкин хмуро. – В первый раз мы просто забили болт. Но во второй – это было реально круто – чинили телескоп.

– Простите, я не смогу принять такой подарок. Не имею права. Это больше не кувалда, а именно артефакт. Предмет истории русской космонавтики. Оставьте себе. Потом внуки отдадут в музей. А как понимать – забили болт?

– Не завинчивался. И не отвинчивался. Мы решили обстучать его. И случайно забили. Я ударил с большей силой, чем было нужно.

Шульте начал оглядываться.

– Не ищите. Он снаружи.

Мдям. Так вот. Каждый грамм, выведенный на орбиту — это много денег. Поэтому чем легче конструкция, чем больше реально полезной нагрузки — оборудования, материалов — можно вывести, тем лучше. Конструкцию космических аппаратов облегчают по максимуму. В случае корабля Союз обитаемый отсек изготовили из нескольких миллиметров легкого, но прочного магниевого сплава. Между нами — очень дорогого, и весь отсек сгорает в атмосфере… А если так не поступить — тогда в космос ничего полезного не вывести, понимаете?

Шутка дня заключается в том, что рассмотренный нами Союз — это одноразовый корабль. Еще ни один человек в мире даже не задумался о том, чтобы хотя бы раз спускаемый аппарат Союза, который возвращается на Землю — запустить в космос во второй раз.

В процессе полета на конструкцию корабля действуют различные экстремальные факторы. Давление. Вибрации. Температурные перепады. Радиация. Под действием этих факторов конструкция испытывает различного рода деформации, изменения физических и химических свойств материалов, и соответственно, меняются ее конструктивные свойства. Она уже не так хорошо сохраняет целостность, например. Спускаемый аппарат Союза при выводе в космос и нахождении в космосе не испытывает экстремального нагрева — и в этих условиях гарантируется доставка космонавтов домой. Как поведет спускач при попытке повторного запуска — неизвестно, и данное конструктивное и материаловедческое решение не дает гарантированного ответа на этот вопрос.

С точки зрения даже такой базовой вещи, как материаловедение, конструкция многоразового космического аппарата, в особенности обитаемого, должен очень сильно отличаться от конструкции одноразового, вы меня понимаете? Это должны быть очень тщательно отобранные материалы, очень точные и совершенные технологии обработки, очень рациональная и надежная конструкция — все это делает многоразовый корабль гораздо дороже одноразового. Даже несмотря на сгорающий в атмосфере отсек из дорогого магниевого сплава одноразового корабля — многоразовый все равно намного дороже, и в части материалов тоже.

Почему мы начали разговор с истории Аполлона-1?

При подготовке лунной программы американцами была принята, как более простая, схема внутренней атмосферы на основе одногазовой смеси из чистого кислорода при давлении 0.5 атмосферного. С этой схемой и проходили на Земле тренировки. 27 января 1967 года при проведении рутинной тренировки в Космическом центре имени Кеннеди на остров Мерритт, Флорида, США, экипажем в составе Гриссома, Уайта и Чаффи, из-за плохого контакта (точно никто не знает, это версия) под сиденьем одного из астронавтов проскочила искра. В атмосфере из чистого кислорода многие негорючие в обычных условиях материалы воспламеняются. Кабина вспыхнула. Находящиеся снаружи — всего в метрах — люди ничем не смогли помочь. Расследование обратило внимание на то, что при эксплуатации кабины с данной атмосферой повторение пожара не просто возможно — оно гарантированно и неминуемо, потому что выбранные конструкционные материалы горят в чистом кислороде. Кабина была полностью перепроектирована, материалы, находящиеся в гермообъеме, заменены на более безопасные, а давление кислорода снижено до 0.3 атмосферного — минимум, при котором астроноты еще могут дышать.

Это называется космическое материаловедение, ребята, и это первое, что нужно иметь в виду.

Посмотрите еще раз на фотографии. Гриссом. Уайт. Чаффи. Они хотели жить. А американские конструкторы хотели сэкономить еще немного на массе орбитальной капсулы. За это пришлось заплатить вот этим трем парням. Ну и дальше, вплоть до эпохи Шаттлов, летать в космос при помощи Голливуда.

А те инженеры были не чета дерьмоделам Илона Маска. Они всего-то чуть-чуть ошиблись.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *