Как пакуют космический багаж

 

Если почаще заглядывать в кабинет космического конструктора, то можно застать его за странным занятием. Конструктор играет в неизвестную игру, по-видимому, очень увлекательную. Об этом можно судить по заинтересованным лицам его коллег, вместе с ним углубленных в эту забаву. На столе разложена какая-то схема, и присутствующие передвигают по ней вырезанные из картона фигурки различных форм и размеров, скорее всего, фишки. Из разговоров можно понять, что выигрыш заключается в особо удачной расстановке этих фишек.

Игра продолжается с перерывами не одну неделю. Но однажды вместо схемы на столе появляется небольшой макет из картона, дерева или пластмассы. Теперь-то секрет раскрывается: не представляет труда узнать в макете будущий искусственный спутник. А фишки преображаются в миниатюрные копии его приборов и оборудования. Оказывается, все это время конструктор занимался важным и ответственным делом — компоновкой космического аппарата. Ему нужно было соединить металлические фермы в жесткий каркас, герметизированными оболочками разбить аппарат на изолированные отсеки, расположить внутри и снаружи отсеков бортовые системы, устройства и блоки. Разрозненные части конструкции должны слиться в единый организм, способный выполнить возложенную на него задачу. Так складывается внешний и внутренний облик спутника.

За каждым передвижением той или иной «фишки» стоят долгие мучительные поиски и сомнения, кропотливые расчеты на быстродействующих вычислительных машинах, горячие споры и дискуссии. Слишком многое зависит от того, где установит конструктор тот или иной крохотный приборчик, двигатель или топливный бак на своем игрушечном спутнике. Разумно размещая все устройства и системы, продуманно распределяя в объеме спутника их вес, он может уменьшить нагрузки как на конструкцию самого космического аппарата, так и на конструкцию ракеты-носителя. Не забывайте, ведь килограммы космического аппарата котируются по самой высокой цене в многоступенчатой ракете. Разгруженные же элементы и детали конструкции можно облегчить, сделать из более легкого материала и не столь массивными. «Игрушечные» дела ведут к нешуточной экономии веса.

Объем спутника ограничен, а хочется вместить в него побольше. Как собирающийся в дальнюю дорогу путешественник многократно перетряхивает и перекладывает свой чемодан, стараясь уложить в него все необходимое, так и конструктор не один раз возвращается к перепаковке спутника. Не легко добиться того, чтобы каждая деталь оборудования, каждый прибор нашли свое место.

Прежде всего нужно позаботиться о центровке космического аппарата: его центр тяжести должен занять заранее рассчитанное положение. От этого зависит правильная ориентация аппарата в полете. Задача эта столь важна, что ради ее решения не жалеют порой самого дорогого — веса. В космическом аппарате размещают специальный центровочный груз, балласт, единственное назначение которого — сместить центр тяжести в запланированную позицию. Но в полете расходуются запасенные на спутнике различные вещества — топливо для бортовых двигателей, жидкий или газовый теплоноситель и другие, — и центр тяжести меняет свое положение. Поэтому конструктор должен расставить сосуды с жидкостями и сжатым газом так, чтобы это смещение было как можно незначительнее.

Затем нужно проверить, не окажется ли чересчур сильной и опасной вибрация при запуске космического аппарата. Если расположение предметов в спутнике с этой точки зрения неудачно, приходится снова его перепаковывать.

Нельзя пройти мимо проблемы терморегулирования. Читатель по собственному опыту знает, как сильно зависит «климат» в помещении от местонахождения окон и тепловых радиаторов. В переполненном спутнике есть свои источники и поглотители тепла. Правильное их размещение — еще одна задача для конструктора.

Следует учесть также возможность замены некоторых блоков с приборами перед стартом. Поэтому ко всем важнейшим узлам и агрегатам космического аппарата должен быть удобный доступ. На первом американском космическом корабле «Меркурий» почти все оборудование было размещено в кабине пилота. Из-за малого ее объема старались экономно использовать даже небольшие участки свободного пространства. В результате каждая самостоятельная система была разнесена по частям в разные концы корабля, а элементы совершенно несвязанных систем оказались рядом и слоями располагались друг над другом вперемешку. Создалось невообразимое переплетение трубок, электрических проводов и механических соединений. Неудобство этого в полной мере почувствовали те, кто занимался проверкой и отладкой оборудования на Земле. Чтобы извлечь какую-нибудь вышедшую из строя деталь, приходилось демонтировать вместе с ней и другие блоки. После устранения неисправности, нужно было заново опробовать все приборы и аппараты, возвращавшиеся на свои места. Сколько работы прибавилось монтажникам и испытателям! Наученные горьким опытом, американские специалисты применили на следующем космическом корабле «Джемини» иной принцип компоновки. Все элементы одной системы были собраны в компактные блоки. Блоки эти установили таким образом, что любую систему можно было демонтировать, не затрагивая другие. Чтобы облегчить доступ к блокам, их крепили на наружной поверхности герметичной кабины. Внутри нее были оставлены лишь органы управления, показывающие приборы и система жизнеобеспечения космонавтов.

Американский космический корабль «Джемини» с расположенными на внешней поверхности герметичной кабины блоками различных систем.

 

Если позволяет объем спутника, конструктор обязательно позаботится о каком-то резерве внутреннего пространства. Это облегчает изготовление и сборку аппарата, контроль и обслуживание его на Земле. И вообще с запасом надежнее, даже если это запас пустоты.

Когда создавалась советская автоматическая межпланетная станция «Венера-12», произошел такой случай. Пришел в конструкторское бюро, где рождались «Венеры», один ученый и предложил новый прибор, который мог бы дать ценную информацию во время полета. Но аппарат уже скомпонован, и каждый грамм его веса на учете. Заманчиво предложение ученого, да где найти резервы для снижения веса? Сбросить надо, ни много и ни мало, целых шесть килограммов — столько весил прибор. Был в спускаемом аппарате «Венеры» центровочный груз. Подумали, подумали конструкторы и решили груз снять. Не просто пойти на это, так как спускаемый аппарат должен занимать строго определенное положение в пространстве. Пришлось пересмотреть всю его компоновку, провести дополнительные расчеты и испытания. И вот вместо бездейственного балласта на «Венере» был размещен сверх программы еще один активно живущий прибор. А это значит, что увеличился поток данных, передаваемых аппаратом из космического далека.

Первый советский искусственный спутник «ПС-1» в разрезе.

С приборами у творцов межпланетных станций и спутников вообще особые трудности.

На первом советском искусственном спутнике был установлен только один радиомаяк с небольшим количеством телеметрических датчиков. Но с каждым новым типом космических аппаратов росла сложность решаемых ими научных и прикладных задач, возрастал объем техники, уносимой на орбиты. На первом пилотируемом корабле «Восток» было смонтировано уже около 300 различных устройств, в которых работало 250 электронных ламп, 6 300 полупроводниковых элементов, 760 электромагнитных реле и переключателей. «Интеркосмос-17», запущенный в Советском Союзе 24 сентября 1977 года, открыл новую серию этих спутников, создаваемых учеными братских социалистических стран. Втрое увеличилось в них количество приборов и автоматически действующей аппаратуры, проводящих научные исследования и обеспечивающих связь с Землей. А на орбитальной станции «Салют» число различных систем, устройств и приборов превысило 2000. Одних только пультов управления там 20. Общая длина электрических проводов исчисляется сотнями километров, а вес всей аппаратуры — тоннами. Ведь станция используется как многоцелевая космическая лаборатория.

Конструктор заботится не только о том, чтобы втиснуть все необходимое научное оборудование в ограниченный объем спутника или станции. Он старается наилучшим образом разместить все приборы. По признанию самих специалистов, задача эта требует большого умственного напряжения. Без навыков пространственного комбинаторного мышления можно попросту утонуть в огромном количестве вариантов.

В первую очередь конструктор стремится к наибольшей плотности упаковки. Чем компактнее установлены приборы, тем меньше по размерам и легче приборный отсек. Но приборы питаются от бортовых источников тока и нередко связаны между собой. Поэтому нужно так продумать разводку электрических проводов и кабелей, чтобы, по возможности, укоротить и облегчить их. Достигается это правильной расстановкой приборов относительно штекеров. Если же вспомнить об удобстве монтажа, обслуживания и замены научного оборудования при наземных испытаниях, то планировку нужно привести в соответствие с расположением люков. При этом нельзя забывать о том, что рама и корпус отсека должны быть нагружены равномерно.

Конструктору приходится раскладывать довольно сложный «пасьянс», ведь приборов-то множество. Среди них есть и главные, требующие первоочередного внимания, есть и второстепенные, которые все равно как тасовать. Сначала отбираются приборы примерно одинаковой высоты. Они устанавливаются в отсеке отдельным слоем. Самый большой и тяжелый из них занимает центр слоя. Вокруг него симметрично раскладываются другие, не столь крупные и весомые. Самые маленькие и легкие приборы оттеснены к краям. Приборный отсек плотно заполняется такими ровными слоями. Меняя слои местами, можно перераспределять вес внутри отсека и выправлять центровку аппарата. Весьма удобно! Иначе пришлось бы компенсировать отклонение центра тяжести балластным грузом.

Размещение научной аппаратуры и электронного оборудования в советской космической станции «Протон-4»: 1 — датчики магнитометров на штангах; 2 — панели солнечных батарей; 3 — научные приборы; 4 — корпус приборного контейнера; 5 — аппаратура автоматики и управления; 6 — контейнер с химическими батареями.

 

Многие приборы капризны и привередливы. Не всегда укладываются они в заданную конструктивную схему. Некоторые из них претендуют на строго определенное место в космическом аппарате. Для других местоположение неважно, но они должны быть ориентированы в заданном направлении, как, например, телескопы, следящие за положением Солнца и планет на небесной сфере. Есть и такие, которых не заставишь стоять рядом друг с другом. У приборов появляется несовместимость, как у цветов, которые нельзя ставить вместе в одну вазу. Известно, например, что ландыши никак не уживаются с другими цветами. Такими ландышами среди космических приборов оказались магнитометры, измеряющие магнитные поля планет.

Чувствительность магнитометров поразительна. Они могут обнаружить магнитное поле в десятки миллионов раз слабее, чем на поверхности Земли. Конечно, приборы эти незамедлительно реагируют на материалы с магнитными примесями и на работу электрических схем, сопровождающуюся появлением вокруг них магнитного поля. По этой причине не могут магнитометры трудиться бок о бок со многими электронными приборами и требуют уединения. Не помогают даже специально принимаемые меры по обеспечению электромагнитной чистоты спутников: тщательно продуманная прокладка бортовых кабелей и монтажных проводов, экранировка приборов, уменьшение площадей контуров с током, «заземление» всех приборов на корпус. Но не предоставлять же целый отсек одному прибору! И решили конструкторы удалить неуживчивых из космического аппарата. Нет, они не отказались от намерения провести магнитные измерения в космосе. Просто магнитометры вынесли на длинных выдвижных штангах подальше от корпуса. Например, в западноевропейском искусственном спутнике «Геос» научные приборы размещены на восьми выдвижных штангах длиною от одного до двадцати метров.

 

Магнитометрический спутник серии «Космос»: 1 — штанга с чувствительным элементом магнитометра; 2 — выдвижные антенны.

 

Нельзя сказать, что конструкторы нашли наилучший выход. Раскрытие штанг, конечно же, сказывается на движении спутника. Он уподобляется фигуристу, который, разводя руки в стороны или прижимая их к телу, меняет скорость своего вращения. Приходится предусматривать на таких космических аппаратах дополнительные приспособления, гасящие вращения и колебания корпуса, возникающие при выдвижении штанг. В общей сложности вместе со штангами прибавляется свыше 5000 механических деталей. Их изготовлением и сборкой заняты несколько десятков человек. Вот чего стоят капризы некоторых приборов! И не обходится порой без неприятных неожиданностей.

На американском космическом аппарате «Вояджер-2» не полностью раскрылась в полете штанга, на которой были установлены две телевизионные камеры и научные приборы. Это привело к незапланированной переориентации космического аппарата. Пришлось выправлять изменившийся режим его полета. Чтобы провести задуманные исследования, нужно было как-то вывести штангу в рабочее положение. Для этого по командам с Земли резко закручивали аппарат, надеясь, что центробежные силы приведут в действие отказавший механизм. Встряхивали корпус, отстреливая заглушки оптических устройств. Но все безрезультатно. Опасаясь повторения неприятных сюрпризов, на запускаемом следом «Вояджере-1» поставили дополнительные пружины в механизме развертывания штанги.

Хорошо, если еще на Земле удается выявить все нежелательные взаимные влияния приборов. Так, при наземных испытаниях советской автоматической станции «Луна-16» неожиданно обнаружили, что прибор, измеряющий скорость спуска станции, дает неверные показания. Случись такое у поверхности Луны, не вовремя включился бы двигатель мягкой посадки, и при ударе о грунт станции был бы нанесен непоправимый ущерб. Как выяснилось, виновником неправильной работы измерителя скорости была наружная антенна. Пришлось оградить прибор от ее влияния.

Столько в космическом аппарате систем, приборов и устройств, состоящих из великого множества деталей и элементов, что так и просится ему имя — тысяча мелочей. Но по сути своей оно неверно: в каждом слове заключена ошибка. Во-первых, мелочей в аппарате не тысяча, а гораздо больше. В сегодняшних спутниках насчитывают многие сотни тысяч различных деталей. Во-вторых, никакие это не мелочи. С точки зрения конструктора, технолога и других специалистов, в космическом аппарате не найти ни одного пустяка, ни одной безделицы. Все устройства должны быть точно выверены и отлажены, все требуют тщательного исполнения и квалифицированной эксплуатации. Опыт показывает, что в технике неудачи чаще всего случаются именно из-за упущении в «мелочах». За примерами далеко ходить не надо.

В американской ракете-носителе «Редстоун» один из штепсельных разъемов случайно оказался на три миллиметра длиннее другого. В результате при отключении он запоздал на две сотые доли секунды. Пустяк! Но этот пустяк привел к аварии при запуске космического аппарата «Меркурий».

Такая же мелочь заставила поволноваться наших специалистов, следивших из Центра управления полетами за орбитальным пилотируемым комплексом «Салют-6» — «Союз-26». Когда космонавты, закончив работу в космосе, вошли в переходный отсек и закрыли внешний люк, оказалось, что клапан, через который стравливался воздух перед их выходом за пределы станции, остался открытым. Об этом сообщили на Землю приборы. Чтобы попасть в станцию, космонавты должны были заполнить переходный отсек воздухом, но этому мешал неисправный клапан. Складывалась аварийная ситуация. С Земли все же дали команду провести пробный пуск воздуха. И тут выяснилось, что он не уходит в космос и давление в отсеке возрастает. Виновником ложной тревоги был сместившийся разъем на кабеле, подходившем к датчику положения клапана. А ведь на станции «Салют-6» не одна тысяча таких датчиков, контролирующих состояние бортового оборудования.

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» опусти