Система аварийного спасения или сокращенно САС это "ракета в ракете", которая венчает шпиль Союза:
Сами же космонавты сидят в нижней части шпиля (которая имеет форму конуса):
САС обеспечивает спасение экипажа как на стартовой площадке, так и на любом участке полета. Тут стоит понимать, что вероятность получить люлей на старте в разы выше, чем в полете. Это как с лампочкой - большинство перегораний происходит в момент включения. Поэтому, первое что делает САС в момент аварии это взлетает в воздух и уносит космонавтов куда-нибудь подальше от распространяющегося взрыва:
Двигатели САС приводят в готовность за 15 минут до старта ракеты.
А вот теперь самое интересное. САС активируется двумя дежурными, которые синхронно нажимают кнопку по команде руководителя полета. Причем команда это обычно название какого-то географического объекта. К примеру, руководитель полета говорит: "Алтай" и дежурные активируют САС. Все как 50 лет назад.
Самое страшное это не приземление, а перегрузка. В новостях со спасенными космонавтами сразу была указана перегрузка - 9g. Это крайне неприятная для обычного человека перегрузка, но для тренированного космонавта не смертельная и даже не опасная. К примеру, в 1975 году Василий Лазарев выхватил перегрузку в 20, а по некоторым данным в 26G. Он не погиб, но последствия поставили крест на карьере.
Как же было сказано, САС уже более 50ти лет. За это время она претерпела множество изменений, но формально основные принципы её работы не изменились. Появилась электроника, множество разных датчиков, повысилась надежность, однако спасение космонавтов по-прежнему выглядит так, как выглядело бы 50 лет назад. Почему? Потому что гравитация, преодоление первой космической скорости и человеческий фактор это величина, по всей видимости неизменная:
Первое успешное тестирование САС провели в 67м году. Вообще-то, пытались облететь Луну беспилотно. Но первый блин вышел комом, поэтому решили заодно САС испытать, чтобы хоть какой-то результат положительный был. Спускаемый аппарат приземлился неповрежденным, а если бы внутри были люди, то они остались бы живы.
А вот так выглядит САС в полете:
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано
За прошедшие почти семь десятилетий с момента первого космического старта (не считая двадцати предыдущих лет исследований и экспериментов) конструкции космических аппаратов (КА) непрерывно совершенствовались. Значительный вклад в эволюцию конструкций КА внесли так называемые «испытательные» космические аппараты, которые проектировались специально для проверки и отработки в реальных условиях космического полета элементов конструкции, систем, узлов, агрегатов и блоков, способов их оптимального применения, возможных путей их унификации.
Если в СССР в качестве автоматических испытательных КА широко использовались различные модификации КА практически только одной серии «Космос», то в США – целый ряд КА: «ATS», «GGTS», «0V», «Додж», «TTS», «SERT», «RW» и др.
Несмотря на большое многообразие конструкций КА, общим для всех устройств является наличие корпуса с набором различных конструктивных элементов (так называемое «обеспечивающее» оборудование) и специальная (целевая) радиоэлектронная аппаратура.
Корпус КА является конструктивно-компоновочной основой для установки и размещения всех его элементов и соответствующей аппаратуры. Например, для автоматического КА обеспечивающее оборудование предусматривает наличие как минимум следующих бортовых систем: ориентации и стабилизации, терморегулирования, энергопитания, телеметрии, траекторных измерений, управления и навигации, командно-программной, различных исполнительных органов и т.п. На пилотируемых КА и космических станциях, кроме того, имеются системы жизнеобеспечения, аварийного спасения и т.п.
В свою очередь, целевая аппаратура КА может быть оптической (оптико-электронной), фотографической, телевизионной, инфракрасной, радиолокационной, радиотехнической, спектрометрической, рентгеновской, радиосвязи и ретрансляции, радиотехнической, радиометрической, калориметрической и т.п.
Все эти системы (их структура, функции, конфигурация и т.п.), используют самую современную ЭКБ.
Естественно, конфигурации КА зависят от их назначения и уже поэтому значительно различаются – это , осуществляющие выведение КА на требуемые и траектории, разгонно-тормозные блоки КА, включающие маршевые и корректирующие двигатели, топливные отсеки, агрегаты и системы обслуживания (обеспечивают переход КА с низкой орбиты на более высокую или межпланетную, осуществляют обратные переходы – с высокой орбиты на низкую, коррекцию траекторных параметров и т.д.).
С конструкцией КА неразрывно связано понятие «компоновка» КА – наиболее рациональное и максимально плотное пространственное размещение составляющих элементов. При этом различают внутреннюю и внешнюю (аэродинамическую) компоновку КА.
Задача разработки конструкции конкретного КА является достаточно сложной, поскольку необходимо учитывать очень много факторов, зачастую противоречащих друг другу. Например, необходимо обеспечивать минимальное количество связей КА с наземным комплексом (особенно это касается РН), безопасность и комфортность экипажа (для пилотируемых КА), безопасную эксплуатацию и обслуживание на стартовой позиции и в полете, обеспечение заданных параметров устойчивости, управляемости, тепловых режимов и аэродинамических характеристик работы КА и многое другое.
Задача конструкторов КА усложняется тем, что критерием оптимальности их решения является не только минимизация массы КА, но и его стоимости и сроков создания при гарантированном обеспечении параметров надежности, многофункциональности и др.
Первый космический аппарат Земли «Восток 1», поднявший первого человека на околоземную орбиту.
Как известно, стартовавший с корабль выполнил всего лишь один(на зато первый в истории человечества) оборот вокруг планеты Земля, причем полет проходил полностью в автоматическом режиме, при котором первый космонавт был как бы «пассажиром», готовым в любой момент переключить управление на себя. Хотя реально по нашей классификации это был не «пилотируемый» полет, а полет полностью в автоматическом режиме, но это как раз тот случай, когда классификация не всегда правильно отражает суть происходящего процесса (явления, события).
Один из первых (1977 г.)КА дальнего проникновения (так называемый «космический зонд») серии Voyager(наиболее известные КА – Voyager-1 и Voyager-2). По некоторым литературным источникам, этот 723 килограммовый автоматический зонд, запущенный 5 сентября 1977 г. и предназначенный для исследований и ее ближайших окрестностей, к удивлению его создателей до сих пор находится в нормальном рабочем состоянии и в связи с этим обстоятельством выполняет даже новую (дополнительную) миссию – по определению местонахождения границ Солнечной системы, включая « » (), хотя по замыслу разработчиков его первоначальная основная миссия заключалась лишь в исследовании двух – и (он был первым зондом, сделавшим детальные снимки всех спутников этих планет)
Такое длительное активное существование КА обусловлено прежде всего оп
тимальными принятыми инженерными решениями при создании электронной
бортовой аппаратуры, грамотным выбором соответствующей ЭКБ для комплек
тации его бортовых систем.
Сегодня полеты в космос не относятся к фантастическим историям, но, к сожалению, современный космический корабль еще очень сильно отличается от тех, которые показывают в фильмах.
Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет
А вам уже исполнилось 18?
Космические корабли России и
Космические корабли будущего
Космический корабль: какой он
На
Космический корабль, как он работает?
Масса современных космолетов напрямую связана с тем, как высоко они летают. Главная задача пилотируемых космолетов ‒ безопасность.
Спускаемый аппарат СОЮЗ стал первой космической серией Советского Союза. В этот период между СССР и США шла гонка вооружения. Если сравнивать размеры и подход к вопросу строительства, то руководство СССР делало все для скорейшего покорения космоса. Понятно, почему сегодня не строят аналогичные аппараты. Вряд ли кто-то возьмется строить по схеме, в которой отсутствует личное пространство космонавтов. Современные космолеты оборудованы и комнатами для отдыха экипажа, и спускаемой капсулой, главной задачей которой является в тот момент, как осуществляется посадка, сделать ее максимально мягкой.
Первый космический корабль: история создания
Отцом космонавтики справедливо считается Циолковский. На основе его учений Годдрадпостроил ракетный двигатель.
Ученые, которые трудились в Советском Союзе, стали первыми, кто сконструировал и смог запустить искусственный спутник. Также они стали первыми, кто изобрел возможность запуска в космос живого существа. Штаты осознают, что Союз стал первым, кто создал летательный аппарат, способный выйти в космос с человеком. Отцом ракетостроения справедливо называют Королева, который вошел в историю как тот, кто придумал, как преодолеть земное притяжение, и смог создать первый пилотируемый космический корабль. Сегодня даже малыши знают, в каком году запустили первый корабль с человеком на борту, но мало кто помнит о вкладе Королева в этот процесс.
Экипаж и его безопасность во время полета
Главная задача сегодня — безопасность экипажа, ведь он проводит много времени на высоте полета. При строении летательного устройства важно, из какого металла его делают. В ракетостроении используются следующие типы металлов:
- Алюминий ‒ позволяет значительно увеличить размеры космолета, поскольку отличается легкостью.
- Железо ‒ замечательно справляется со всеми нагрузками на корпус корабля.
- Медь ‒ обладает высокойтеплопроводимостью.
- Серебро ‒ надежно связывает медь и сталь.
- Из титановых сплавов изготавливают баки для жидкого кислорода и водорода.
Современная система жизнеобеспечения позволяет создать привычную для человека атмосферу. Многие мальчишки видят, как они летают в космосе, забывая об очень большой перегрузке космонавта при старте.
Самый большой космический корабль в мире
Среди боевых кораблей большой популярностью пользуются истребители и перехватчики. Современный грузовой корабль имеет следующую классификацию:
- Зонд — это исследовательский корабль.
- Капсула — грузовой отсек для доставки или спасательных операций экипажа.
- Модуль — на орбиту выводится беспилотным носителем. Современные модули делятся на 3 категории.
- Ракета. Прототипом для создания послужили военные разработки.
- Челнок — многоразовые конструкции для доставки необходимого груза.
- Станции — самые большие космические корабли. Сегодня в открытом космосе находятся не только русские, но и французские, китайские и другие.
Буран — космический корабль, вошедший в историю
Первым космическим кораблем, вышедшим в космос, стал Восток. После федерация ракетостроения СССР начала выпуск кораблей Союз. Намного позже стали выпускать Клиперы и Русь. На все эти пилотируемые проекты федерация возлагает огромные надежды.
В 1960 году корабль Восток своим полетом доказал возможность выхода человека в космос. 12 апреля 1961 года Восток 1 совершил виток вокруг Земли. А вот вопрос, кто летал на корабле Восток 1, почему-то вызывает затруднение. Может быть дело в том, что мы просто не знаем, что свой первый полет Гагарин совершил именно на этом корабле? В том же году впервые на орбиту вышел корабль Восток 2, в котором находилось сразу два космонавта, один из которых вышел за пределы корабля в космосе. Это был прогресс. А уже в 1965 году Восход 2 смог выйти в открытый космос. История корабля восход 2 была экранизирована.
Восток 3 установил новый мировой рекорд по времени пребывания корабля в космосе. Последним кораблем серии стал Восток 6.
Американский шатл серии Аполлон открыл новые горизонты. Ведь в 1968 Аполлон 11 смог первым приземлиться на Луну. Сегодня существует несколько проектов по разработке космопланов будущего, такие как Гермес и Колумб.
Салют — серия межорбитальных космических станций Советского Союза. Салют 7 известна тем, что потерпела крушение.
Следующим космолетом, история которого вызывает интерес, стал Буран, кстати, интересно, где он сейчас находится. В 1988 году он совершил свой первый и последний полет. После многоразовых разборов и перевозок путь передвижения Бурана потерялся. Известное последнее местонахождение космического корабля Буранв Сочи, работы по нему законсервированы. Однако буря вокруг этого проекта до сих пор не утихла, и дальнейшая судьба заброшенного проекта Буран вызывает интерес у многих. А в Москве внутри макета космолета Буран на ВДНХ создан интерактивный музейный комплекс.
Джемини — серия кораблей американских конструкторов. Заменили проект Меркурий и смогли сделать спираль на орбите.
Американские корабли с названием Спейсшатл стали своеобразными челноками, совершая более 100 полетов между объектами. Вторым Спейсшатлом стал Челенджер.
Не может не заинтересовать история планеты Нибиру, которая признана кораблем-надзирателем. Нибиру уже дважды приближалась на опасное расстояние к Земле, но оба раза столкновения удалось избежать.
Драгон — космолет, который в 2018 году должен был совершить полет на планету Марс. В 2014 году федерация, ссылаясь на технические характеристики и состояние корабля Дракон, отложила запуск. Не так давно произошло еще одно событие: компания Боинг сделала заявление, что также начала разработки по созданию марсохода.
Первым в истории многоразовым кораблем универсалом должен был стать аппарат под названием Заря. Заря — это первая разработка транспортного корабля многоразового использования, на который федерация полагала очень большие надежды.
Прорывом считается возможность использования ядерных установок в космосе. Для этих целей начались работы по транспортно-энергетическому модулю. Параллельно ведутся разработки по проекту Прометей — компактному ядерному реактору для ракет и космолетов.
Китайский корабль Шэньчжоу 11 стартовал в 2016 году с двумя астронавтами, которые должны были провести в космосе 33 дня.
Скорость космического корабля (км/ч)
Минимальной скоростью, с которой можно выйти на орбиту вокруг Земли считается 8 км/с. Сегодня нет надобности разрабатывать самый быстрый в мире корабль, поскольку мы находимся в самом начале космического пространства. Ведь максимальная высота, которой мы смогли достичь в космосе, всего 500 км. Рекорд самого быстрого передвижения в космосе был установлен в 1969 году, и пока побить его не удалось. На космическом корабле Аполлон 10 трое космонавтов, побывав на орбите Луны, возвращались домой. Капсула, которая должна была доставить их из полета, сумела развить скорость 39,897 км/ч. Для сравнения давайте рассмотрим, с какой скоростью летит космическая станция. Максимально она может развиться до 27 600 км/ч.
Заброшенные космические корабли
Сегодня для космолетов, пришедших в негодность, создали кладбище втихом океане, где могут найти свой последний приют десятки заброшенных космических кораблей. Катастрофы космических кораблей
В космосе случаются катастрофы, часто забирающие жизни. Наиболее частыми, как ни странно, являются аварии, которые происходят из-за столкновения с космическим мусором. При столкновении орбита движения объекта смещается и становится причиной крушения и повреждений, часто становящихся причиной взрыва. Самой известной катастрофой является гибель пилотируемого американского корабля Челленджер.
Ядерный двигатель для космических кораблей 2017
Сегодня ученые работают над проектами по созданию атомного электродвигателя. Эти разработки подразумевают покорение космоса с помощью фотонных двигателей. Российские ученные планируют уже в скором будущем приступить к испытаниям термоядерного двигателя.
Космические корабли России и США
Стремительный интерес к космосу возник в годы Холодной войны между СССР и США. Американские ученые признали в российских коллегах достойных соперников. Советское ракетостроение продолжало развиваться, и после распада государства его приемником стала Россия. Конечно, космолеты, накоторых летают российские космонавты, значительно отличаются от первых кораблей. Более того, сегодня, благодаря успешным разработкам американских ученых, космические корабли стали многоразовыми.
Космические корабли будущего
Сегодня все больший интерес вызывают проекты, в результате которых человечество сможет совершать более длительные путешествия. Современные разработки уже готовят корабли к межзвездным экспедициям.
Место, откуда запускают космические корабли
Увидеть своими глазами запуск космического корабля на старте — мечта многих. Возможно, это связано с тем, что первый запуск не всегда приводит к желаемому результату. Но благодаря Интернету мы можем увидеть, как взлетает корабль. Учитывая тот факт, что наблюдающим за запуском пилотируемого корабля следует находиться достаточно далеко, мы можем представить, что находимся на взлетной площадке.
Космический корабль: какой он внутри?
Сегодня, благодаря музейным экспонатам, мы воочию можем увидеть устройство таких кораблей, как Союз. Конечно, изнутри первые корабли были очень простыми. Интерьер более современных вариантов выдержан в спокойных тонах. Устройство любого космического корабля обязательно пугает нас множеством рычажков и кнопочек. И это добавляет гордости за тех, кто смог запомнить, как устроен корабль, и, тем более, научился управлять им.
На каких космических кораблях летают сейчас?
Новые космические корабли своим внешним видом подтверждают, что фантастика стала действительностью. Сегодня никого уже не удивишь тем, что стыковка космических кораблей — реальность. И мало кто помнит о том, что первая в мире такая стыковка произошла еще в далеком 1967 году...
Космический корабль напоминает подводную лодку: здесь и там экипаж вынужден жить в герметической кабине, полностью изолированной от внешней среды. Состав, давление, температура и влажность воздуха внутри кабины будут регулироваться специальным аппаратом. Но преимуществом космического корабля по сравнению с подводной лодкой явится меньшая разница между давлением внутри кабины и снаружи. А чем меньше эта разница, тем тоньше могут быть стенки корпуса.
Для отопления и освещения кабины корабля можно использовать солнечные лучи. Обшивка корабля, подобно земной атмосфере, задерживает пронизывающие межпланетное пространство ультрафиолетовые лучи Солнца, которые в больших количествах вредны для человеческого организма. Для лучшей защиты при столкнрвениях с метеорными телами обшивку корабля целесообразно делать многослойной.
Конструкция космического корабля зависит от его назначения. Корабль для посадки на Луну окажется во многом не похож на корабль, предназначенный для полёта вокруг неё; корабль для полёта на Марс должен быть построен иначе, чем корабль, отправляющийся на Венеру; ракетный корабль на термохимическом топливе будет существенно отличаться от атомного корабля.
Космический корабль на термохимическом топливе, предназначенный для перелёта на искусственный спутник, будет представлять собой многоступенчатую ракету размерами с дирижабль. При старте такая ракета должна весить несколько сот тонн, а её полезный груз примерно в сто раз меньше. Плотно примыкающие друг к другу ступени будут заключены в обтекаемый корпус для лучшего преодоления сопротивления воздуха при полёте в атмосфере. Сравнительно небольшая кабина для экипажа и кабина для остального полезного груза разместятся, повидимому, в носовой части корабля. Так как экипажу придётся провести на борту такого корабля лишь непродолжительное время (меньше часа), отпадёт необходимость в сложном оборудовании, которым будут оснащены межпланетные корабли, предназначенные для длительного полёта. Управление полётом и все измерения будут осуществляться автоматически.
Отработавшие ступени ракеты можно будет спускать обратно на Землю либо на парашюте, либо с помощью выдвижных крыльев, превращающих ступень в планёр.
Рассмотрим ещё один вариант космического корабля (см. рис. 8, в центре, на стр. 24-25). Корабль отправится с искусственного спутника в полёт вокруг Луны для продолжительного обследования её поверхности без посадки. Выполнив задание, он вернётся прямо на Землю. Как видим, этот корабль состоит в основном из двух спаренных ракет с тремя парами цилиндрических баков, наполненных горючим и окислителем, и двух космических планёров с выдвижными крыльями, предназначенных для спуска на поверхность Земли. Корабль не нуждается в обтекаемой обшивке, так как старт производится за пределами атмосферы.
Такой корабль будет полностью построен и испытан на Земле, а затем переброшен на межпланетную станцию в разобранном виде. Отдельными партиями туда доставят топливо, снаряжение, запасы продовольствия и кислорода для дыхания.
После того как корабль соберут на межпланетной станции, он отправится дальше в мировое пространство.
Горючее и окислитель будут поступать в двигатель из центральных цилиндрических баков, которые представляют собой основные кабины космического корабля, временно залитые топливом. Они опорожняются спустя несколько минут с момента взлёта. Временно экипаж располагается в менее удобной кабине планёра.
Достаточно открыть небольшой кран, соединяющий баки с безвоздушным пространством, чтобы остатки топлива мгновенно улетучились. Затем баки-кабины наполняются воздухом, и экипаж переходит в них из планёра; здесь астронавты проведут всё остальное время полёта.
Подлетев к Луне, корабль превращается в её искусственный спутник. Для этого используются горючее и окислитель, находящиеся в задних боковых баках. После использования топлива баки отцепляются. Когда на -
Ступит время возвращения н включат двигатель. Топливо для этой цели хранится в передних боковых баках. Перед погружением в земную атмосферу экипаж пересаживается в космические планёры, которые отцепляются от остальной части корабля, продолжающей кружить вокруг Земли. Планёр входит в атмосферу Земли и, маневрируя выдвижными крыльями, снижается.
При полёте с выключенным двигателем люди и предметы на корабле будут невесомы. Это представляет большие неудобства. Конструкторам, возможно, придётся создать на борту корабля искусственную тяжесть.
Корабль, изображённый на рис. 8, построен как раз по этому принципу. Две его составные части, взлетающие как одно целое, затем отделяются друг от друга, оставаясь, однако, связанными тросами, и при помощи небольших ракетных двигателей приводятся в круговое движение вокруг общего центра тяжести (рис. 6). После того как будет достигнута требуемая скорость вращения, двигатели выключаются и движение продолжается по инерции. Возникающая при этом центробежная сила, согласно идее Циолковского, должна заменить путешестве
Введение
Из курса физики я узнала, что для того чтобы тело стало искусственным спутником Земли, ему нужно сообщить скорость равную 8 км/с (I космическая скорость). Если такую скорость сообщить телу в горизонтальном направлении у поверхности Земли, то при отсутствии атмосферы оно станет спутником Земли, обращающимся вокруг нее по круговой орбите.
Такую скорость спутникам способны сообщать только достаточно мощные космические ракеты. В настоящее время вокруг Земли обращаются тысячи искусственных спутников!
А для того чтобы достичь других планет космическому кораблю необходимо сообщить II космическую скорость, это около 11, 6 км/с! Например чтобы достичь Марса, что в скором времени собираются сделать американцы, нужно лететь с такой огромной скоростью более восьми с половиной месяцев! И это не считая обратной дороги на Землю.
Каким же должно быть устройство космического корабля, чтобы достичь таких огромных, невообразимых скоростей?! Данная тема меня сильно заинтересовала, и я решила узнать все тонкости конструкции космических кораблей. Как оказалось, задачи практического конструирования вызывают в жизни новые формы летательных аппаратов и требуют разработки новых материалов, которые в свою очередь создают новые проблемы и выявляют много интересных аспектов старых проблем как в области фундаментальных, так и в области прикладных исследований.
Материалы
Основу развития техники составляют знания о свойствах материалов. Во всех космических аппаратах используются разнообразные материалы в самых различных условиях.
В последние несколько лет резко возросло количество изучаемых материалов и представляющих для нас интерес характеристик. Быстрый рост количества технических материалов, используемых при создании космических кораблей, а также возрастающая взаимозависимость конструкций космических кораблей и свойств материалов иллюстрируются табл. 1. В 1953 г. алюминий, магний, титан, сталь и специальные сплавы представляли интерес в первую очередь как авиационные материалы. Пять лет спустя, в 1958 г., они получили широкое применение в ракетостроении. В 1963 г. каждая из указанных групп материалов включала уже сотни комбинаций элементов или составных частей, а количество представляющих интерес материалов увеличилось на несколько тысяч. В настоящее время почти везде нужны новые и усовершенствованные материалы, и вряд ли положение изменится в будущем.
Таблица 1
Материалы, используемые в конструкциях космических аппаратов
| Материал |
|||
| Бериллий |
|||
| Материалы, обеспечивающие регулирование теплового режима |
|||
| Термоэлектрические материалы |
|||
| Фотоэлектрические материалы |
|||
| Защитные покрытия |
|||
| Керамика |
|||
| Материалы, армированные нитями |
|||
| Уносимые покрытия (абляционные материалы) |
|||
| Слоистые материалы |
|||
| Полимеры |
|||
| Тугоплавкие металлы |
|||
| Специальные сплавы |
|||
| Титановые сплавы |
|||
| Магниевые сплавы |
|||
| Алюминиевые сплавы |
Потребность в новых знаниях в области материаловедения и технологии материалов находит отклик в наших университетах, частных компаниях, независимых исследовательских организациях и различных правительственных органах. Табл.2 дает некоторое представление о характере и масштабах исследований, проводимых НАСА в области разработки новых материалов. Эти работы включают как фундаментальные, так и прикладные исследования. Наибольшие усилия сосредоточены в области фундаментальных исследований по физике твердого тела и химии. Здесь представляют интерес атомное строение материи, межатомные силовые взаимодействия, движение атомов и особенно влияние дефектов, соизмеримых с размерами атомов.
Таблица 2
Программа исследования материалов
К следующей категории относятся конструкционные материалы с большой удельной прочностью, как титан, алюминий и бериллий, теплостойкие и тугоплавкие сплавы, керамика и полимеры. К особой группе следует отнести материалы для сверхзвуковой транспортной авиации.
В программе НАСА постоянно возрастает интерес к категории материалов, используемых в электронике. Ведутся исследования сверхпроводников и лазеров. В группе полупроводников изучаются как органические, так и неорганические материалы. Ведутся также исследования в области термоэлектроники.
И наконец, программа исследования материалов завершается рассмотрением с весьма общих позиций вопросов практического использования материалов.
Чтобы показать потенциальные возможности применения результатов исследования материалов в будущем, я остановлюсь на исследованиях, связанных с изучением влияния пространственного расположения атомов на фрикционные свойства металлов.
Если бы удалось уменьшить трение между соприкасающимися металлическими поверхностями, то это позволило бы усовершенствовать практически все типы механизмов с подвижными частями. В большинстве случаев трение между соприкасающимися поверхностями велико, и чтобы его снизить, применяется смазка. Однако понимание механизма трения между несмазанными поверхностями также представляет большой интерес.
На рис.1 представлены некоторые результаты исследований, проведенных в Льюисском исследовательском центре. Эксперименты проводились в условиях глубокого вакуума, так как атмосферные газы загрязняют поверхности и резко изменяют их фрикционные свойства. Первый важный вывод состоит в том, что фрикционные характеристики чистых металлов в сильной степени зависят от их естественной атомной структуры (см. левую часть рис.1). При затвердевании металлов атомы одних образуют гексагональную пространственную решетку, а атомы других - кубическую. Было показано, что металлы с гексагональной решеткой обладают гораздо меньшим трением, чем металлы с кубической решеткой.
Рис 1. Влияние атомной структуры на сухое трение (без смазки).
Рис.2. Требования к теплостойким материалам.
Затем был исследован ряд металлов, атомы которых расположены в вершинах шестигранных призм с разными расстояниями между их основаниями. Исследования показали, что трение уменьшается с увеличением высоты призм (см. центральную часть рис.1). Наименьшим трением обладают металлы с максимальным отношением расстояния между основаниями призм к расстоянию между боковыми гранями. Этот экспериментальный результат согласуется с выводами теории деформации металлов.
На следующем этапе в качестве объекта исследования был выбран титан, о котором известно, что он имеет гексагональную структуру и плохие фрикционные характеристики. Чтобы улучшить фрикционные характеристики титана, стали исследовать его сплавы с другими металлами, присутствие которых должно было увеличить размеры атомных решеток. Как и ожидалось, с увеличением расстояния между основаниями призм трение резко уменьшилось (см. правую часть рис.1). В настоящее время проводятся дополнительные эксперименты по дальнейшему улучшению свойств титановых сплавов. Например, мы можем "упорядочить" сплав, т.е. с помощью термообработки расположить атомы разных элементов более подходящим образом и исследовать, как это повлияет на трение. Новые достижения в этой области повысят надежность машин, имеющих вращающиеся части, и, по-видимому, откроют широкие возможности в будущем.
Хотя может создаться впечатление, что в последнее время мы достигли больших успехов в разработке теплостойких материалов, прогресс в исследовании космического пространства в следующие 35 лет будет тесно связан с разработкой новых материалов, которые могли бы работать при высоких температурах в течение многих часов, а в некоторых случаях и лет.
На рис.2 показано, как это важно. По оси ординат здесь отложено время работы в часах, а по оси абсцисс - рабочая температура в градусах Цельсия. В заштрихованной области от 1100 до 3300°С единственными металлическими материалами, которые можно использовать, являются тугоплавкие металлы. На оси ординат горизонтальной чертой отмечена продолжительность работы, равная одному году. Область рабочих параметров ядерного ракетного двигателя ограничена температурами от 2100 до 3200° С и продолжительностью работы от 15 мин до 6 час. (Эти цифры являются весьма приближенными и приводятся только для ориентировочного определения границ области рабочих параметров.)
Область с надписью "гиперзвуковые самолеты" характеризует условия работы материалов обшивки. Здесь требуется гораздо большая продолжительность работы. Для космических аппаратов многократного использования называют времена работы всего от 60 до 80 час, однако на самом деле может потребоваться продолжительность работы порядка тысяч часов в интервале температур от 1320 до 1650° С и более.
По рис.2 можно судить о значении тугоплавких металлов для решения задач, которые ставит программа исследования космического пространства. Некоторые из этих материалов уже применяются, и я уверена, что они будут усовершенствованы и приобретут с течением времени еще большее значение.
Иногда можно услышать, что современная технология материалов на самом деле не наука, а скорее высокоразвитое искусство. Возможно, это отчасти и так, но я уверена, что материаловедение и технология материалов уже достигли весьма высокого уровня развития и сыграют большую роль в жизни нашей страны.
Конструкции космических аппаратов
Обратимся теперь к вопросам конструирования космических аппаратов. На рис.3 указаны основные конструктивные проблемы, возникающие при проектировании современных ракет-носителей и космических летательных аппаратов. К ним относятся: нагрузки, действующие на конструкцию, динамика и механика полета; разработка конструкций, выдерживающих большие тепловые нагрузки; защита от воздействия условий космического пространства, а также разработка новых конструкций и комбинаций материалов для применения в будущем.
Рис.3. Конструкции космических аппаратов.
Разработка конструкций космических аппаратов находится еще на ранней стадии развития и базируется на опыте конструирования самолетов и баллистических ракет. Из рис.4 следует, что большие современные ракеты-носители во многом родственны баллистическим ракетам. К отличительным особенностям их конфигураций следует отнести большое удлинение, снижающее сопротивление атмосферы, и большой объем, занимаемый топливом. Вес топлива может составлять от 85 до 90% стартового веса ракеты-носителя. Удельный вес конструкции очень мал, так что по существу это тонкостенная гибкая оболочка. При сегодняшней высокой стоимости единицы веса полезной нагрузки, выведенной на орбиту или траекторию полета к Луне и планетам, особо выгодно уменьшение веса основной конструкции до допустимого минимума. Еще более остро встают проблемы конструирования в случае использования в качестве топливных компонентов жидких водорода и кислорода, имеющих малый удельный вес, вследствие чего возникает потребность в больших объемах для размещения топлива.
Рис.4. Большие ракеты-носители.
Конструктор будущих ракет-носителей столкнется со многими новыми сложными проблемами. Ракеты-носители, по всей вероятности, будут больших размеров, станут сложней и дороже. Для многократного их использования без больших затрат на обратную доставку или ремонт потребуется решить важные задачи конструирования и технологии материалов.
Необычные требования, предъявляемые к разным типам космических аппаратов будущего, уже активизировали поиски новых типов конструкций и производственных процессов.
Требования защиты от опасностей, ожидающих нас в космическом пространстве, таких, как метеориты, жесткое и тепловое излучение, в значительной мере активизируют исследования, проводимые с целью создания конструкций космических аппаратов. Например, при длительном хранении жидкого водорода и других криогенных жидкостей в условиях космического пространства утечка компонентов топлива через дренажную систему и метеоритные пробоины в топливных баках должна быть практически исключена. Значительные успехи достигнуты в области разработки изоляционных материалов, обладающих исключительно малой теплопроводностью. Сейчас можно обеспечить хранение топлива в течение времени нахождения на стартовой площадке и нескольких оборотов вокруг Земли. Однако при длительном хранении в условиях космического пространства сроком до одного года возникает очень сложная проблема, связанная с притоком тепла через элементы конструкции баков и трубопроводы.
Другие проблемы космического полета, такие, как проблема складывающихся больших космических аппаратов или их частей в процессе вывода на орбиту с последующей их сборкой в космическом пространстве, также потребуют новых конструктивных решений. В то же время в течение космического полета на космический аппарат не воздействуют ни гравитационные, ни аэродинамические силы, что расширяет область возможных решений при проектировании. На фиг.5 показан пример необычного конструктивного решения, возможного только в условиях космического пространства. Это один из вариантов орбитального радиотелескопа, имеющего гораздо большие размеры, чем те, которые можно было бы обеспечить на Земле.
Такие устройства нужны для изучения естественного радиоизлучения звезд, галактик и других небесных объектов. Одна из полос радиочастот, представляющих интерес для астрономов, лежит в диапазоне от 10 Мгц и ниже. Радиоволны с такой частотой не проходят через земную ионосферу. Для приема низкочастотного радиоизлучения необходимы орбитальные антенны чрезвычайно больших размеров. В левой части фиг.5 показана кривая зависимости диаметра антенны от частоты принимаемого излучения. Видно, что с уменьшением частоты диаметр антенны увеличивается и для приема радиоволн с частотой менее 10 Мгц нужны антенны диаметром более 1,5 км.
Рис 5. Новые конструкции. Орбитальные антенны.
Антенну таких размеров нельзя вывести на орбиту, да и ее вес при использовании обычных принципов проектирования намного превысит возможности самых больших ракет-носителей. Даже с учетом отсутствия силы тяжести проектирование таких антенн представляет большие трудности. Например, если сделать рефлектор антенны сплошным из алюминиевой фольги толщиной всего 0,038 мм, то и тогда вес материала поверхности при диаметре антенны 1,6 км будет составлять 214 т. К счастью, благодаря малой частоте принимаемого радиоизлучения поверхность антенны можно сделать решетчатой. Последние достижения в области больших ажурных конструкций позволяют выполнить решетку из тонких нитей. При этом материал, образующий поверхность антенны, будет весить от 90 до 140 кг. Такая конструкция позволит вывести антенну на орбиту и затем собрать ее. Одновременно можно обеспечить плотную упаковку антенны вместе с системами стабилизации и энергообеспечения.
Жесткое излучение в космическом пространстве по-прежнему будет главным разрушительным фактором для запускаемых в космос аппаратов. Это разрушение связано отчасти с бомбардировкой космических аппаратов протонами больших энергий в радиационных поясах, а также с солнечными вспышками. Исследование эффектов, возникающих при такой бомбардировке, указывает на необходимость изучения сущности механизмов разрушения и определения характеристик материалов, используемых в качестве защитных экранов.
Рис.6. Новые принципы экранирования.
1 - сверхпроводящие катушки; 2 - магнитное поле; 3 - положительный заряд космического аппарата; 4 - поглощающий экран; 5 -плазменная защита.
Разработка новых способов защиты должна включать также исследование возможности экранирования с помощью сверхпроводящих магнитов, что позволит существенно снизить вес защитных устройств и тем самым увеличить полезную нагрузку космических аппаратов, предназначенных для длительных полетов.
На рис.6 иллюстрируется эта новая идея, получившая название плазменной защиты. Для отклонения заряженных частиц, таких, как протоны и электроны, используется комбинация магнитного и электростатического полей. Основой плазменной защиты является образуемое сравнительно легкими сверхпроводящими катушками магнитное поле, которое окружает весь аппарат. На тороидальных космических станциях экипаж и аппаратура располагаются в зоне малой напряженности магнитного поля. Космический аппарат заряжается положительно благодаря инжекции электронов в окружающее магнитное поле. Эти электроны несут отрицательный заряд, равный по величине положительному заряду космического аппарата. Несущие положительный заряд протоны из окружающего аппарат космического пространства будут отталкиваться положительным зарядом аппарата. Электроны, движущиеся в окружающем аппарат пространстве, могли бы разрядить электростатическое поле, однако этому препятствует магнитное поле, искривляющее их траектории.
Зависимость веса таких защитных систем от объема космического аппарата графически представлена в нижней части рис.6. Для сравнения приведены соответствующие веса защитного экрана, представляющего собой слой материала на пути излучения. Так как для управления движением потока электронов требуется магнитное поле весьма умеренной напряженности, то вес плазменной защиты в типичных случаях составит около 1/20 веса обычного поглощающего экрана.
Хотя идея плазменной защиты является многообещающей, с ее работой в условиях космического пространства связано еще много неясного. В связи с этим в настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные исследования возможной неустойчивости электронного облака или взаимодействия с пылью и космической плазмой. Пока что не обнаружено никаких принципиальных трудностей, и можно надеяться, что космической радиации можно будет противопоставить плазменную защиту, весовые характеристики которой будут значительно лучше, чем у других типов защиты.
Вход в атмосферу
Обратимся теперь к проблеме входа космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет. Основную трудность здесь, безусловно, представляет защита от тепловых потоков, возникающих в процессе входа в атмосферу. Колоссальная кинетическая энергия космического аппарата должна быть преобразована в другие виды энергии, в основном в механическую и тепловую, так как в противном случае аппарат либо сгорит, либо получит повреждения. Скорости входа космических аппаратов составляют от 7,6 до 18,3 км/сек. При меньших скоростях основную часть теплового потока составляет конвективный тепловой поток, однако при скоростях выше ~ 12,2 км/сек большую роль начинает играть тепловой поток излучения от головной ударной волны. Современные теплозащитные материалы эффективны до скоростей ~ 11 км/сек на аппаратах, имеющих малое аэродинамическое качество, однако при скоростях входа от 15,2 до 18,3 км/сек требуются новые материалы.
Рис.7 помогает понять, почему в будущем для решения задач входа в атмосферу пилотируемых космических кораблей большой интерес представят аппараты, способные развивать значительную подъемную силу. По оси ординат отложено отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления L/D (аэродинамическое качество) при гиперзвуковых скоростях, а по оси абсцисс - скорость входа. Первые признаки тенденции увеличения аэродинамического качества видны на примере космических кораблей "Меркурий", "Джемини" и "Аполлон". Ожидается, что в будущем орбитальные полеты вокруг Земли достигнут высоты синхронных орбит. Корабли, входящие в земную атмосферу из этой области космического пространства, будут иметь скорости до 10,4 км/сек (на рис. 7 вертикальная линия с надписью "Синхронные орбиты").
Скорости входа пилотируемых космических кораблей, возвращающихся с других планет, например с Марса, гораздо больше. При надлежащем выборе времени старта и использовании притяжения Венеры они достигают 12,2 - 13,7 км/сек, в то время как при непосредственном возвращении с Марса скорости превышают 15,2 км/сек. Интерес к таким большим скоростям входа связан с большей гибкостью способа непосредственного возвращения с планеты.
Рис 7. Тенденции к увеличению аэродинамического качества космических кораблей и скорости входа в атмосферу Земли.
Для поддержания в разумных пределах перегрузок, испытываемых экипажем корабля при столь больших скоростях входа, необходимо увеличение аэродинамической подъемной силы по сравнению с кораблем "Аполлон". Кроме того, увеличение подъемной силы (правильней сказать, аэродинамического качества L/D) при больших скоростях расширит допустимые коридоры входа, которые для баллистических спускаемых аппаратов сужаются до нуля. С увеличением подъемной силы возрастает также точность маневрирования и приземления. Одна из важнейших фаз полета космических кораблей, обладающих подъемной силой, - заход на посадку и сама посадка. Летные характеристики космических аппаратов с подъемной силой на малых скоростях так сильно отличаются от характеристик обычных самолетов, что для их исследования пришлось построить два летательных аппарата, показанных на рис.8. Верхний аппарат имеет индекс HL-10 , а нижний M2-F2.
Рис. 8. Летательные исследовательские аппараты HL-10 и M2-F2.
Эти аппараты предполагается поднимать на высоту около 14 км с помощью самолетов В-52 и сбрасывать при скоростях полета, соответствующих числу Маха до 0,8. На аппаратах HL-10 и M2-F2 установлены небольшие ракетные двигатели, работающие на перекиси водорода, которые позволяют моделировать переменное аэродинамическое качество. С помощью этих двигателей можно варьировать угол наклона траектории при заходе на посадку, а также запас статической устойчивости, чтобы определить оптимальные летные характеристики будущих пилотируемых космических кораблей аналогичной конфигурации. Корабли такой формы будут иметь вес, близкий к весу космических кораблей будущего. И уже создан корабль похожий на данные модели космических кораблей, это орбитальный космический корабль «Шаттл».
Космический корабль «Шаттл»
Орбитальный космический корабль «Шаттл» способен летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями. Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков.
Заключительные замечания
Я пыталась дать краткий обзор последних достижений в области разработки новых материалов, конструкций и техники входа космических аппаратов в атмосферу. Это позволило указать некоторые направления будущих исследований. И, кажется, я сама немножко узнала о проблемах освоения космоса с помощью космических кораблей на современном этапе развития человечества
