Архитектура от малого до великого

ПОСЛЕ УПОТРЕБЛЕНИЯ СЖЕЧЬ

 

Как бы ни гордились конструкторы своими достижениями, сколько бы ни восхищались творениями своего ума и опыта, они ни на минуту не забывают, что каркас ракеты и обшивка — всего лишь неизбежный балласт. Поэтому конструкторы сами заботятся о том, чтобы тщательно продуманная ими и до мелочей отработанная конструкция, освобождаясь от топлива, отделялась от ракеты в полете, отваливалась по частям. Хорошо бы делать это без промедления, ежеминутно и ежесекундно, чтобы не расходовать ни капли горючего на разгон ненужной уже массы. Но масса современных ракет уменьшается в полете скачками, в моменты отделения выгоревших ступеней. Так почему не выбирают ступени помельче? Почему не увеличивают их число, чтобы как можно чаще отбрасывать опорожняющуюся часть конструкции? Ведь это сулит несомненный выигрыш.

Конечно, ракетная ступень не может быть сколь угодно малой. Некоторые детали конструкции или системы управления никак не изготовишь в миниатюрном варианте. Но до этих производственных трудностей дело так и не дошло. У современных ракет-носителей по три-четыре ступени, не больше. Интерес к дальнейшему дроблению ракеты конструкторы потеряли раньше, чем технологи. Что-то остановило их на пути наиболее полного воплощения в жизнь идеи К. Э. Циолковского. Что же? Давайте еще раз обратимся к той многоступенчатой ракете, выводящей космический аппарат на орбиту вокруг Солнца, о которой мы говорили в начале книги.

Достаточно увеличить в этой ракете число ступеней с двух до трех, как необходимые запасы топлива снижаются примерно в 4,5 раза. Четырехступенчатой ракете нужно уже в шесть раз меньше топлива, чем двухступенчатой. А вот последующие шаги в сторону большего числа ступеней не так впечатляющи.

В пятиступенчатой ракете топлива почти в семь раз меньше, чем в двухступенчатой. По сравнению с конструкцией из четырех ступеней выигрыш невелик — всего в 1,13 раза. Добавив одну ступень к двухступенчатой ракете, мы получили куда более значительное снижение веса. И с каждой новой добавляемой ступенью эффект становится все менее ощутимым. Содержимое топливных баков шестиступенчатой ракеты лишь в 1,07 раза легче, чем у пятиступенчатой. Согласитесь, что игра не стоит свеч. Ведь, совершая очередное дробление ракеты, мы намного усложняем ее конструкцию: на каждой ступени приходится ставить свой двигатель с обслуживающими его устройствами, свои органы управления, свой механизм отсоединения от остальных частей. Мало того, с увеличением числа ступеней заметно снижается надежность запусков, так как растет число отказов и неисправностей из-за возросшего количества элементов в ракете.

Конструкторы столкнулись со своеобразным «барьером» числа ступеней и решили, что нет смысла двигаться дальше. Но воображению не прикажешь, оно не хочет считаться ни с какими препятствиями и, оставляя «барьер» далеко позади, увлекает ракетостроителей к совершенно фантастической конструкции, в которой дробление доведено до предела. Мысленно увеличив число ступеней до бесконечного количества, они получили самую многоступенчатую ракету, какую только можно себе представить и к которой не прибавишь уже ни одной ступени. А так как ступени бесконечно малы и слились в одну сплошную массу, то их отбрасывание происходит непрерывно. Каждое мгновение ракета теряет крохотную долю конструкции, уже освободившуюся от топлива. Что может быть заманчивей и эффективней! Жаль только, что ракета воображаемая.

Но ракетостроители не желают расставаться со своей фантазией. Махнули рукой на шести-, семи— и восьмиступенчатые ракеты, а бесконечноступенчатую то и дело удостаивают вниманием в научных трудах. Только как же к ней подступиться? Придется, видимо, шаг за шагом продвигаться вперед, постепенно наращивая число ступеней?

Нет, не собираются ракетостроители брать «барьер» числа ступеней ни штурмом, ни осадой. На уме у них совсем другое.

Еще в 20-х годах русский изобретатель Ю. В. Кондратюк в своей книге «Завоевание межпланетных пространств» предложил использовать в качестве ракетного топлива некоторые металлы. Такая возможность существенно меняет взгляд на конструктивную массу ракеты. Если в топке ракетного двигателя будет сгорать металл, какая тогда разница между конструкцией и топливом? И то, и другое может давать энергию для полета. Именно так был поставлен вопрос в трудах Ф. А. Цандера, выдвинувшего смелую идею — сжигать части конструкции ракетоплана, как только отпадает в них необходимость. Поедая сам себя, ракетный летательный аппарат будет обретать силу для своего движения.

Вот вам и конструктивное воплощение бесконечноступенчатой ракеты! Незачем отбрасывать пустые, отработавшие ступени. Их нужно сжигать постепенно, по мере освобождения. Идея Цандера помогает конструкторам представить себе воображаемую ракету, непрерывно избавляющуюся от лишней массы. Больше того, можно даже превзойти этот казавшийся недостижимым идеал. Ведь освобождающаяся от топлива конструкция будет не просто отбрасываться, облегчая ракету, а истекать высокоскоростной реактивной струей, дающей тягу. Выигрыш получается двойной. А если вдуматься как следует, то даже тройной.

Возьмем, к примеру, такой широко распространенный в ракетной технике металл, как алюминий. Сгорая, он дает почти столько же тепла, сколько выделяет уголь самого высшего сорта. Но на один килограмм угля расходуется 2,7 килограмма кислорода, а на килограмм алюминия — меньше килограмма. И даже по сравнению с водородом, нередко используемым как ракетное горючее, алюминий более выгоден. Хоть водород и выделяет при сгорании в четыре раза больше энергии, чем этот металл, зато он требует в девять раз больше запасов окислителя.

Когда научатся сжигать вместе с топливом освобождающуюся конструкцию ракеты, появится возможность увеличить движущую тягу.

Дело за конструкторами. Вот тут-то и должны они показать свое искусство — пропустить сквозь камеру сгорания ракетного двигателя отслужившую конструкцию. Пускай послужит еще раз, теперь уже в другом качестве! Задача не из легких, поэтому не видим мы пока таких ракет. Но кое-какие результаты получены. Например, в двигателях первых американских ракет «Поларис» сжигали не только полиуретановое топливо, но и содержавший его алюминиевый резервуар. Это увеличивало тягу ракеты на 20 процентов.

СПУТНИК-РАСКЛАДУШКА

 

Воображению конструктора тесно в замкнутом объеме космического аппарата. Нет-нет да и выплескивается конструкторская мысль за его пределы, как было, например, с выносными научными приборами. Только это не просто добавление новых деталей к старой конструкции, а уже новая конструкция. И заботы появляются новые и непривычные. Раньше был компактный космический аппарат, крепкий и надежный, не боящийся вибраций. А теперь в нем появились сложные механические крепления и соединения, снизившие надежность всего аппарата в целом. Помните, как неудачно получилось с американским «Вояджером»? И управлять таким аппаратом с далеко разнесенными массами, пусть даже небольшими, совсем не просто. Не было бы необходимости, не пошли бы конструкторы на столь хлопотное новшество.

Американские спутники, снабженные системой гравитационной стабилизации.

Но иногда многосаженный размах спутников как раз упрощает управление их полетом. На околоземной орбите удлиненный аппарат сам собою ориентируется вертикально, вдоль радиуса Земли. Ведь ближний конец его притягивается Землей сильнее, чем дальний. А значит, не нужна ему специальная система ориентации и стабилизации. Спутник превращается в своего рода ваньку-встаньку: никак не уложишь его набок. Только получается он чересчур уж долговязым. «Вверх» и «вниз» торчат из него две длиннющие штанги с тяжелыми шарами на концах. У американского спутника «Эксплорер-38» длина штанг составляла 165 метров. Как же справиться с таким нескладехой при запуске? Очень просто: сделать его складным. Или раздвижным. В раздвижных и разворачивающихся конструкциях совмещаются такие противоположные качества, как компактность и протяженность.

Однако длиною, линейным размером, не исчерпываются геометрические характеристики космического аппарата. Не менее важна его наружная поверхность — единственный орган «осязания» внешнего мира. Именно через свою поверхность с помощью специальных датчиков получают аппараты информацию извне о стремительных ливнях космических частиц, о плотности и составе межпланетного газа, о потоках метеоритов, бороздящих внеземное пространство, о спектре и интенсивности солнечного излучения. Чем больше площадь соприкосновения с окружающей воздушной средой, тем явственнее проявляется тормозящее действие верхних разреженных слоев атмосферы. Внушительный по площади спутник испытывает ощутимое давление солнечных лучей, которым интересуются ученые. Такой спутник легче обнаружить по отраженному солнечному свету или радиосигналу, посланному с Земли. Мощность солнечных электрических батарей пропорциональна площади, которую они покрывают. У космических аппаратов обычных размеров размещенные на корпусе полупроводниковые элементы могут выработать за счет излучения Солнца не более полукиловатта. Это давно уже не удовлетворяет энергетические потребности аппаратуры и оборудования спутников.

Некоторые спутники удивительно похожи на диковинных насекомых, парящих в космическом пространстве.

 

К сожалению, поверхность и вес космического аппарата явно не в ладах друг с другом. Ведь увеличивая его размеры, мы наращиваем не только поверхность, но и объем, то есть вес. Причем в еще большей степени: если поверхность тела пропорциональна квадрату его линейных размеров, то объем пропорционален кубу. Конструкторам то и дело приходится задумываться над тем, как расширить площадь своего изделия, не превышая отпущенного ему весового лимита. И вот запускают они в космос компактные «бутоны», распускающиеся в нужный момент причудливым «цветком». Как только космический аппарат минует плотные слои земной атмосферы, раскрываются и отваливаются лепестки головного обтекателя, отслужившего свою службу, а на орбите откидываются шарнирно присоединенные панели солнечных батарей, разворачиваются зонтики приемо-передающих антенн, расправляются плоскости метеоритных зондов, выдвигаются многометровые штанги с научными приборами. Конструктор использовал идею обыкновенного веера: при том же весе этот компактный предмет можно превратить в обширное опахало.

Механизмы развертывания различных выносных элементов многократно опробываются на Земле. Например, складывающиеся панели солнечных батарей устанавливают для этого на роликовые опоры, которые свободно катятся по ровной поверхности.

 

Подавляющее большинство создаваемых ныне космических аппаратов не могут обойтись без таких складных или выдвижных элементов. Торчащие усы стержневых антенн, далеко вынесенные устройства гравитационной стабилизации и крылья солнечных батарей придают им довольно необычный вид. Зато у конструкторов появилась некоторая свобода в обращении с площадями и размерами. Разве могли они раньше помышлять о двухсотметровых антеннах? А вот у американского радиоастрономического спутника «Эксплорер-38» целых четыре антенны, каждая из которых раздвигается до 229 метров. Раскрывающиеся, разворачивающиеся конструкции заполнили околоземное пространство.

Непрочность вееров — прототипов раздвижных конструкций — породила в свое время немало веселых анекдотов. Космическая техника еще слишком молода, чтобы войти в обиход повседневной шуткой. Да и не до шуток конструкторам: развертываемые и раскладываемые аппараты по своей прочности оставляют желать много лучшего. И вес их возрастает почти в полтора раза за счет добавочных механизмов и устройств. Однако творцы космических аппаратов не собираются отказываться от изобретенных ими «раскладушек». Наоборот, они уверены, что будущее именно за такими сооружениями, с разворачивающимися в пространстве частями. Например, для связи между кораблями на расстоянии в сотни тысяч километров потребуются антенны не меньше 200 метров диаметром. А поперечник солнечного паруса по сегодняшним проектам должен достигать километра и выше. Поэтому спрос на конструкции с увеличивающимися размерами и площадью не убывает со временем. Предлагают даже целые каркасы, которые раскладывались бы на орбите, словно зонтик, принимая заранее предусмотренную форму. Немало проблем уже решено с помощью дополнительно наращиваемой в полете площади, немало еще предстоит решить. Взять хотя бы терморегулирование космических аппаратов.

«Боится собственной тени» — так говорят о человеке, желая подчеркнуть его чрезмерную пугливость. То же самое можно сказать об искусственных спутниках Земли. И не без оснований. Если с того боку, с которого припекает Солнце, поверхность спутника нагревается чуть ли не до температуры кипения воды, то теневая его сторона охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Столь резкий перепад температуры грозит большими неприятностями. Их можно избежать, закрутив аппарат вокруг оси, как юлу, чтобы он равномерно прогревался солнечными лучами. Но никакая закрутка не спасет спутник от охлаждения в земной тени. Стоит ему укрыться за земным шаром от солнечного света, как сразу же он попадает в леденящие объятия космоса. Как тут не позаботиться заблаговременно об утеплении космического аппарата?

Особых затруднений это не вызывает. Выручит простой электрический обогреватель, установленный внутри корабля. Куда труднее справиться с перегревом. Окружающая спутник пустота надежно теплоизолирует его. Тепло, получаемое им от солнечных лучей, вырабатываемое энергетическими установками и электронным оборудованием, постепенно накапливается в замкнутом объеме аппарата. Даже тело человека становится заметным излучателем тепла. В такой ситуации любая случайность может добавить последнюю каплю в эту наполненную до краев чашу с тепловой энергией, которой уподобляется спутник.

Гипотетический раскладной космический аппарат в рабочем положении и в сложенном виде.

 

Так произошло, например, на американском космическом аппарате «Маринер-10». Короткое замыкание превратило электрическую цепь питания приборов в своеобразный нагреватель. Хоть и невелико было выделение энергии — как будто включили 75-ваттную электрическую лампочку, — температура внутри отсеков подскочила до 43 градусов. А для нормальной работы аппаратуры ей следовало быть на 20 градусов ниже. Электронные приборы и устройства очень чувствительны к температурному режиму в космических аппаратах. Как перегрев, так и переохлаждение немедленно сказываются на их работоспособности и могут даже вывести их из строя. Конструкторы, конечно, делают все, чтобы избежать подобных неприятностей. Еще при компоновке космического аппарата они стараются отделить и изолировать нагревающиеся узлы и агрегаты от остального оборудования. Если можно, тепловыделяющие устройства устанавливают снаружи корпуса, на теневой его стороне. Когда это не помогает, принимают другие меры для отвода тепла из объема аппарата.

Видели вы, как в жаркий полдень собака высовывает язык? Она предохраняет себя от перегрева, сбрасывает избыток тепла. Что-то вроде этого придумали конструкторы. Космический аппарат отдает тепловую энергию в окружающее пространство в виде излучения. Чтобы повысить количество излучаемого тепла и создать нормальный «климат» внутри перегретого аппарата, нужно увеличить его наружную излучающую поверхность. Все тот же вопрос о дополнительной площади! Так пусть космический аппарат, подобно собаке, выпускает «язык»-излучатель, когда становится слишком жарко. Излучатель будет вытягивать из внутреннего объема избыточное тепло и рассеивать его в окружающем пространстве. Только как реализовать этот принцип на деле?

Конструкторы вспомнили свои детские забавы с игрушкой, называемой «язык». Дунешь в нее, и «язык» этот вытягивается во всю длину. Игрушка подсказала техническую идею излучателя. Многометровая панель, пронизанная эластичными трубками, по которым струится теплоноситель, навернута на барабан. Пока внутри космического аппарата сохраняется запланированный тепловой режим, излучатель бездействует. Но если температура начинает повышаться, в трубки накачивается газ-теплоноситель, и «язык», вытягиваясь, разматывается с барабана. В качестве теплоносителя можно использовать газ фреон, применяемый в домашних холодильниках. Он должен передавать тепло от внутренних частей космического аппарата к излучающей поверхности.

Космические аппараты с разворачивающимися теплоизлучателями «язык» и «пружина» 1 — в сложенном виде; 2 — в рабочем положении.

 

А вот еще один теплоизлучатель, напоминающий другую детскую игрушку. Кому не знаком уморительный чертик, выскакивающий на пружине из коробки, как только поднимут крышку? Точно так же распрямляется излучатель, упрятанный в корпус космического аппарата. Сделан он в форме огромной витой пружины из упругих металлических трубок. Когда при повышении температуры внутри аппарата накачивается в трубки теплоноситель, упругая сила пружины возрастает во много раз. В результате излучатель растягивается, удлиняется, и поверхность его увеличивается до сорока квадратных метров.

ПЛАТА ЗА НЕЗНАНИЕ

 

Танковая броня рассчитана на пробивную силу орудийных снарядов. Толщина и крепость ее выбираются так, чтобы она противостояла известному или предполагаемому оружию противника. Избыточный вес боевой машине ни к чему.

При проектировании космического аппарата приходится учитывать сразу многие виды поражающего «оружия», к которым относят все неблагоприятные факторы космического полета. Поэтому «броня» его — это не только многослойная обшивка корпуса, противометеоритные экраны и радиационная защита, но и теплозащитное устройство, несущий каркас и даже запасы топлива. Их «крепость» должна быть под стать пробивной силе «оружия»: величине перегрузок, напору воздушного потока и интенсивности аэродинамического нагрева при спуске в атмосфере, скорости и массе метеоритов, проникающей способности космических лучей и многому другому. Все это нужно знать заранее, чтобы обеспечить безопасность полета космического аппарата. Но не обладают конструкторы абсолютным пророческим даром, не могут совершенно точно предвидеть атакующий натиск враждебных стихий. Знание у них сугубо вероятностное.

Взять хотя бы механические нагрузки на аппарат. Еще задолго до полета пытаются их определить с помощью баллистических и аэродинамических расчетов, продувок моделей в аэродинамической трубе, испытаний конструкции на центрифугах и так далее. И надо сказать, что довольно успешно. Но как бы ни были тщательны эти вычисления и эксперименты, приблизительность результатов неизбежна. К тому же всегда возникает вполне обоснованное сомнение: насколько правильно представляют себе испытатели условия предстоящего полета? Все ли учли при его воспроизведении? Так вкрадывается неопределенность в саму постановку задачи: на какие нагрузки готовить конструкцию космического аппарата? От решения этого вопроса зависят ее прочность и вес. Неточное знание исходных данных вынуждает завышать коэффициент безопасности, то есть подстраховываться. Не могут конструкторы полагаться на авось, на благоприятное стечение обстоятельств. Приходится предусматривать запас прочности на случай возможных осложнений.

Например, для несущих топливных баков ракеты, боковые поверхности которых служат стенками корпуса, выбирают сразу два коэффициента безопасности. Для внутреннего давления этот коэффициент берут минимальным — давление в баках выдерживается достаточно хорошо. Каких-либо неприятностей ожидать не приходится, ни к чему поэтому большой запас прочности. А вот для внешних сил принимают по возможности максимальный коэффициент безопасности. Ситуация здесь не столь ясна и сведения не столь достоверны.

Почти каждую деталь конструкции космического корабля проектируют с учетом тех условий, в которых ей предстоит работать. Поэтому надежное прогнозирование всех обстоятельств будущего полета — это еще один рубеж борьбы за вес.

Не всегда ученые задумываются над тем, что, уточняя какой-то десятичный знак в величине межпланетного расстояния, массы или диаметра планеты, они тем самым сбрасывают десятки, сотни, а то и тысячи килограммов веса завтрашних межпланетных кораблей и ракет-носителей. Проводя свои скрупулезные измерения, астрономы невольно включаются в конструкторскую работу. Ведь публикуемые ими таблицы с нескончаемыми колонками многозначных цифр становятся отправным пунктом для проектов космических экспедиций, для выбора варианта полета и типа конструкции.

Описывая движения планет, астрономы используют в качестве единицы длины среднее расстояние от Земли до Солнца, которое так и называют астрономической единицей. Уже много лет назад ученые научились довольно точно рассчитывать в астрономических единицах межпланетные расстояния в любой момент времени. Но сама астрономическая единица была известна с ошибкой 50-70 тысяч километров. Можно ли надеяться на успешное попадание автоматической межпланетной станции в намеченную планету, если местонахождение цели указано с такой высокой погрешностью? Нужны были новые, более точные астрономические данные. Радиолокационные измерения расстояний в Солнечной системе позволили к 1965 году почти в тысячу раз уменьшить ошибку в величине астрономической единицы. А это значит, что резко сократилось число коррекций полета автоматических станций, которые предстояло провести. Конструкторы могли теперь обойтись вполне приемлемыми запасами топлива на борту межпланетных аппаратов. Сейчас значение астрономической единицы известно уже с точностью в несколько километров!

Немалую экономию веса дает также уточнение радиолокационными методами радиусов планет.

Скажем, планируется посадка на поверхность нашего естественного спутника. При подлете к Луне положение космического аппарата отсчитывается от ее центра, принимаемого за центр притяжения. Неточное знание величины радиуса Луны — расстояния от ее центра до точки посадки — оборачивается избыточной мощностью двигателя мягкой посадки, проектируемого на наихудший вариант. Космический аппарат обременяют запасами топлива, которые ему могут не понадобиться.

Даже неопределенность размеров бугров, камней и впадин на посадочной площадке может ввести конструкторов в излишний весовой расход. Чтобы не опрокинулись посадочные отсеки автоматических станций, исследующих другие планеты, к ним приделывают длинные ноги. А как выбрать их длину, если на эту посадочную площадку не ступала еще ничья нога? Характерная особенность сегодняшних межпланетных полетов в том и состоит, что аппараты направляются в такие места, где никто не бывал. Вероятность же успеха, вероятность выполнения поставленной задачи нужна очень высокая: для пилотируемого космического корабля — не ниже 95 процентов. Степень безопасности экипажа, вероятность того, что даже при неблагоприятных обстоятельствах космонавты в целости и сохранности вернутся на Землю, еще выше — 99,9 процента. Эти цифры не говорят о степени действительного риска. Они лишь свидетельствуют о крайней предусмотрительности конструкторов, которые после тщательного анализа всех известных или предполагаемых ситуаций планируют высокую надежность своего изделия, то есть не скупятся на значительные резервы. Сократить эту заранее планируемую избыточность можно, лишь уточнив условия предстоящего полета.

Еще 15 лет назад специалисты подсчитали, что более надежные данные об атмосфере Марса позволят облегчить конструкцию и систему торможения межпланетного корабля, за счет чего втрое увеличится вес его научной аппаратуры. За незнание приходится расплачиваться весом полезного груза, а в конечном итоге — эффективностью космической экспедиции. Вот почему отправляются к другим планетам автоматические зонды-разведчики. Передаваемая ими на Землю научная информация представляет для конструктора непосредственно практическую ценность.

Когда советские конструкторы разрабатывали первые автоматические станции для исследования Венеры, они лишь приблизительно представляли себе условия на этой планете. По одним гипотезам атмосферное давление на ее поверхности мало отличалось от земного, по другим — оно было в сто раз выше. Диапазон предполагаемых температур тоже был довольно широк — от 50 до 500 градусов. Но рассчитывать космический аппарат сразу для самого худшего варианта, достоверность которого ничем еще не подтверждена, заведомо невыгодно. Мощная «броня» станции поглотит большую часть веса, а научное оснащение будет совсем недостаточным. В результате весьма скудной окажется информация об условиях, царящих в венерианской атмосфере. Поэтому первые аппараты делались не очень прочными. Тем не менее они успевали передать ценнейшие сведения.

«Венера-4» не дошла до поверхности планеты немногим более 20 километров. Аппарат был рассчитан на давление в несколько атмосфер и разрушился при 20 атмосферах. Зато полная неопределенность уступила место данным, заслуживающим доверия. На основе информации, сообщенной «Венерой-4» и «Венерой-5», спускаемые аппараты следующих автоматических станций рассчитывались уже на давление 100 атмосфер и температуру 500 градусов. И вот в декабре 1970 года посадочный отсек «Венеры-7» опустился на раскаленную поверхность планеты. Проведенные им измерения позволили, в свою очередь, уменьшить прочность спускаемого аппарата следующей станции «Венера-8». Сэкономив в весе конструкции, ее создатели установили на аппарате дополнительные научные приборы.

Было бы несправедливо пенять лишь на неизвестность условий космического полета. Сам аппарат для конструкторов тоже в какой-то степени загадка. Да, они его задумали, спроектировали, рассчитали и вычертили. А вот что вышло из заводских цехов — этого они с полной определенностью не знают. Не бывает и не может быть абсолютно точного исполнения. На этот счет конструкторы не обольщаются. У любого изделия всегда будут отклонения от изображенного на бумаге прототипа. С этой точки зрения спроектированный конструкторами космический аппарат — всего лишь идеал, который никогда не удастся реализовать. Воплощенная в металле конструкция будет несколько иной по весу, по форме, по размерам, по прочности и по многим другим характеристикам. Вопрос в том, насколько задуманное отличается от изготовленного? При правильно организованном производстве расхождения эти невелики, в пределах допустимого. Но не считаться с ними нельзя.

Что-то слишком много непредвиденного и непредсказуемого собралось в космическом проекте. Не потому ли конструирование считают своего рода искусством? Англичане говорят, что инженер — это человек, который при недостаточных данных правильно решает вопрос в семи случаях из десяти. Можно спорить о проценте удачных решений, но несомненно одно: конструктор должен уметь силою своего воображения справляться не только с известными ему препятствиями, но и с еще неведомыми.

Хорошо бы найти такое универсальное средство, которое позволит разделаться со многими неопределенностями сразу! Конструкторы нашли. На борту космического аппарата создают резервный запас топлива. Если вдруг аппарат не достигнет запланированной скорости или уйдет с намеченной орбиты, резервное топливо поможет выправить его полет. Всякие случайные промахи, сбои в работе двигателей, непредугаданные внешние возмущения и другие неблагоприятные события тоже компенсируются с помощью этого резерва. А как же быть с недочетами производственников, с неточно выполненным конструкторским заказом? И это поправимо, если есть избыток топлива сверх рассчетной нормы. Скажем, тяга двигателя чуть-чуть не совпадает с заданной величиной, аэродинамические характеристики конструкции немного отличаются от задуманных проектировщиками. Что ж, включив дополнительно бортовой двигатель нужное число раз, можно справиться с теми искажениями, которые вносят в режим полета погрешности изготовления. Не страшны даже ошибки приборов в системе управления, если можно провести внеплановую коррекцию. Но плата за столь высокую надежность все та же — добавочный вес космического аппарата.

СПУТНИК-ХАМЕЛЕОН

 

В ближайшие годы тепловая мощность аппаратуры и оборудования спутников значительно возрастет. Никуда не деться от этого неизбежного следствия их все более многообразной деятельности. Для удаления же тепла приходится довольствоваться всего одним «каналом» — инфракрасным излучением в окружающее пространство. Известная задача о бассейне с трубами, через которые втекает и вытекает вода, оборачивается здесь сложнейшей проблемой. Не так просто отрегулировать приток и отток тепла, если отводящая «труба» является в то же время подводящей. Ведь наружная поверхность спутника не только рассеивает в виде излучения скопившуюся в нем тепловую энергию, она же и поглощает энергию солнечных лучей. Малейшая оплошность с этим двусторонним тепловым каналом чревата довольно неприятными последствиями. Словно в тетрадке нерадивого школьника, «тепловой бассейн» ежеминутно грозит опустеть или переполниться.

Некоторые источники тепла вне космического корабля и внутри него: 1 — Солнце; 2 — система реактивного управления; 3 — насосы для охлаждения; 4 — электронная аппаратура; 5 — тормозная силовая установка; 6 — космонавт; 7 — оборудование; 8 — система кондиционирования; 9 — кабели и проводники, по которым течет электрический ток; 10 — радиолокационная станция.

 

Это испытали на себе американские космонавты, совершавшие полет на космическом корабле «Джемини-7». Когда корабль неожиданно начал переворачиваться, подставляя солнечным лучам как раз ту часть своей поверхности, которая плохо их поглощала, нарушился запланированный тепловой режим. Температура в отсеке понизилась до плюс одиннадцати градусов. Не большое удовольствие совершать полет в кабине, не отличающейся от неотапливаемого помещения. Пришлось космонавтам одеться потеплее и включить бортовые двигатели, чтобы выправить положение корабля относительно Солнца.

С иной опасностью столкнулся экипаж американской станции «Скайлэб». Из-за неисправности энергетического блока в жилых отсеках станции начало выделяться избыточное тепло, и температура угрожающе поползла вверх. Нужно было незамедлительно принимать какие-то меры. По рекомендации из Центра наземного управления космонавты включили двигатели и изменили ориентацию «Скайлэба» относительно Солнца. Температура внутри станции вскоре понизилась.

В обоих случаях космонавты добивались нормального теплового режима, нужным образом ориентируя космический аппарат по отношению к Солнцу, то есть регулируя поглощение и отражение солнечных лучей поверхностью аппарата. Как чувствителен климат внутри спутника или станции к их излучающей и поглощающей способности! Поэтому так ответственна работа «космического маляра», окрашивающего аппарат снаружи.

Какого цвета одежду предпочитают летом? Белого. Белые предметы хорошо отражают солнечные лучи. Если орбита космического аппарата проходит вблизи Солнца, предусмотрительный «космический маляр» не задумываясь окрасит его в белый цвет. Любая другая окраска противопоказана в околосолнечном жарком «климате». Так же просто решается вопрос о цвете в случае чересчур удаленной от Солнца орбиты. Нужно зачернить аппарат снаружи, чтобы он усиленно поглощал те слабые потоки света, которые достигают его поверхности.

А как же быть с промежуточной орбитой? Заранее можно сказать, что одним только черным или белым цветом здесь уже не обойдешься. Слишком контрастны они в тепловом отношении. Подсчитали, что на околоземной орбите плоская черная пластина нагреется до плюс 60 градусов. Но если перекрасить ее в белый цвет, она охладится до минус 25 градусов. Такая игра в «горячо— холодно» может плохо сказаться даже на беспилотных спутниках. Никто не поручится за надежную работу перегретого или переохлажденного оборудования. «Космический маляр» обязан позаботиться о промежуточных, «теплых» или «прохладных», тонах окраски.

Что ж, можно добиться этих тонов, обращаясь все к тем же цветам — черному и белому. Комбинируя в нужной пропорции черные участки с белыми на поверхности спутника, удается сбалансировать приток и отток тепла, то есть решить задачу о «тепловом бассейне» на орбите. Таким способом термостатировали не один космический аппарат. Например, американский спутник «Эксплорер» был усыпан снаружи четырьмя тысячами белых пятен, диаметром по десять сантиметров каждое. Они занимали пятую часть всей его поверхности. Красиво или некрасиво — никто над этим не задумывался. Термодинамические расчеты вытеснили всякие эстетические соображения.

Умело комбинируя белый цвет с черным, можно предохранить космический аппарат от перегрева или от переохлаждения.

Бедна палитра «космического маляра». Всего лишь два цвета в его распоряжении — черный и белый. Но и с ними он совершает подлинные чудеса. Шутка ли, тончайший слой краски заменяет порой обширный тепловой излучатель со всеми необходимыми для него приспособлениями! К сожалению, на все случаи жизни не угадаешь заранее черно-белую мозаику. Что хорошо для одних условий, может оказаться непригодным для других. Раз и навсегда застывшему терморегулирующему рисунку никак не справиться с тем разнообразием вариантов, которые встречаются в длительном космическом рейсе. Ведь рассчитан он на что-то одно. Вот если бы черно-белая гамма менялась и приспосабливалась к непостоянным условиям полета! Такими «живыми картинками», хотя и не черно-белыми, разрисованы советские искусственные спутники серии «Космос». Правда, слово «разрисованы» можно применять здесь лишь условно. «Космическому маляру» пришлось воспользоваться некоторыми механическими приспособлениями,, чтобы вдохнуть жизнь в свою «живопись».

Часть наружной поверхности этих спутников обладает повышенной излучательной способностью. Своего рода отводящая труба «теплового бассейна». Ее закрывают подвижные экраны, жалюзи. Покрытые плохо излучающим веществом, например, слоем алюминия, они снижают теплоотдачу и предохраняют аппарат от переохлаждения. Но стоит только температуре спутника возрасти до некоторого предела, как жалюзи автоматически поворачиваются, открывая тепловую «отдушину». В образовавшуюся брешь немедленно устремляется из спутника поток невидимых тепловых лучей. Сбросив избыток тепла, аппарат охлаждается, и жалюзи снова закрываются. Конечно, это еще не последнее слово техники. Хотелось бы избавиться от подвижных частей, от излишнего веса механических устройств и экранов. Вообще хотелось бы чего-то попроще. Скажем, чтобы спутник сам, без всяких приспособлений, менял свою окраску, подобно хамелеону!