Во всех случаях для уменьшения нагрева корабля нужна либо поверхностная термическая защита, либо специальная система охлаждения. Обычно головную часть входящего в атмосферу аппарата покрывают специальными материалами, которые, сплавляясь и испаряясь, поглощают большую часть тепла торможения Охлаждение конструкции возможно и с помощью специальных систем, когда тепло от поверхности забирается каким-либо жидким теплоносителем, а потом отдается в окружающее пространство с помощью радиационного излучателя.

Путешественник, отправляющийся в незнакомые края, стремится взять с собой как можно больше, чтобы гарантировать себя от непредвиденных случайностей. В космических путешествиях в отличие от земных не должно быть ничего лишнего — каждый килограмм веса космического корабля должен быть полезной нагрузкой в полном смысле этого слова. Успешные полеты первых космонавтов доказали принципиальную возможность существования человека в условиях орбитального полета, тем не менее даже наиболее разведанная околоземная область космического пространства таит еще много опасностей. Поэтому, прежде чем в космосе будут созданы обитаемые станции, потребуется провести множество специальных исследований, посвященных вопросам обеспечения безопасного пребывания экипажа на орбите в течение многих дней, недель и, может быть, месяцев.

Необходимо будет предусмотреть самые неожиданные ситуации и учесть совместное продолжительное воздействие разнообразных факторов межпланетного пространства. Первые полеты советских и американских космонавтов совершались по заранее разработанным программам, главной задачей которых была проверка осуществимости путешествий в космос с точки зрения Физиологических возможностей человеческого организма.

Вся деятельность пилотов сводилась в основном к наблюдению и выполнению относительно несложных операций контроля за работой систем ориентации, управления, жизнедеятельности и радиосвязи. Программа деятельности экипажа ОКС будет намного шире и сложней. Конечно, все многочисленные научные исследования на ОКС будут проводиться строго по графику. Однако должны быть предусмотрены и запасные варианты, которые позволили бы в случае необходимости быстро менять направление или характер исследований. Нельзя, видимо, будет обойтись и без инструкции по действию экипажа в аварийных случаях.

Длительное пребывание человека на орбите уже само по себе сопряжено со значительными трудностями инженерного, физиологического и психологического порядка. Однако недостаточно просто поддерживать в кабине приемлемые значения давления, температуры, влажности и состава воздуха. Необходимо создать такие условия, при которых человек мог бы плодотворно работать и нормально отдыхать, т. е. обеспечить экипажу хотя бы минимум комфорта, к которому он привык на Земле. Чтобы знать, как защищаться от какой-либо опасности надо прежде всего ясно представлять, что это за опасность. Теперь, после многочисленных запусков ракет, искусственных спутников и обитаемых космических кораблей, наши знания об околоземном космическом пространстве намного расширились. Наметились конкретные способы защиты экипажа и конструкции орбитальных аппаратов от вредных воздействий космической среды и внешнего радиационного излучения. Вопросы, связанные с поддержанием требуемого теплового режима в жилых помещениях ОКС, а также некоторые другие инженерные проблемы, связанные с длительной работой оборудования в необычных условиях космического полета, представляют значительный интерес. Особое внимание должно быть уделено системам обеспечения жизнедеятельности членов экипажа станции. Обо всем этом и пойдет дальше речь.

 

КОСМОС НАЧИНАЕТСЯ… В АТМОСФЕРЕ

Среда. Атмосфере как среде, в которой мы существуем, присущи три важные функции. Прежде всего это поддержание необходимых для жизнедеятельности человека состава, температуры и давления воздуха. Кроме того, атмосфера играет роль фильтра от таких опасных для жизни факторов межпланетного пространства, как космическая радиация, ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и космическая пыль. И, наконец, атмосфера является средой, в которой осуществляются разнообразные механические и физические эффекты, например распространение звука, создание аэродинамической силы или сопротивления движению и т. д. Расскажем подробнее о свойствах земной атмосферы, об изменении их с подъемом на большую высоту и о поддержании нужных свойств среды в помещениях ОКС. В начале нашей книги мы говорили о научных спорах по поводу определения верхней границы атмосферы. Напомним, что сейчас ею считают высоту 1000 км — по так называемой физической классификации зон околоземного пространства. Критерием при этом служит явление взаимного столкновения частиц воздуха или длина свободного пробега отдельных молекул воздуха, которая выше 1000 км становится настолько большой, а столкновения между частицами настолько редкими, что атомы и молекулы воздуха получают возможность беспрепятственно двигаться из атмосферы в свободное космическое пространство. Выше 1000 км лежит зона таких свободно движущихся частиц воздуха. Протяженность этой зоны, которую называют экзосферой, также составляет около 1000 км. На высоте около 2000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицамн межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в межпланетное пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Теперь перейдем к физиологической классификации зон. Летчики и космонавты поднимаются на большие высоты в специальных герметических кабинах, изолирующих организм человека от окружающей среды. Почему человек не может существовать на большой высоте вне такой кабины? Какая высота является предельной для человека и почему?

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако это одна из наиболее важных функций атмосферы очень быстро ослабевает по мере подъема на высоту. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание, и без надлежащей акклиматизации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается так называемая физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит молекулы кислорода, вполне пригодные для дыхания. Это объясняется значительным уменьшением внешнего барометрического давления. Поясним это. Из физиологии известно, что в легких человека постоянно содержится около 3 л так называемого альвеолярного воздуха. Давление кислорода в этом объеме при нормальных условиях составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в легких остается постоянным — 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в легкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине. Это происходит при достижении высоты 15 км.

На высоте около 19 км давление снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому здесь начнется кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступит почти мгновенно.

Таким образом, с точки зрения физиологии человека космос начинается уже на высоте 19 км.

В современной авиации большое распространение получили герметические кабины с наддувом внешним атмосферным воздухом. Но такой тип кабины практически пригоден лишь для полетов на высотах ниже 30 км. На больших высотах для сжатия сильно разреженного воздуха требуется очень большая мощность компрессора. Кроме того, при сжатии такого разреженного воздуха температура его растет настолько интенсивно, что требуется дополнительное охлаждение воздуха. Поэтому в космических полетах используется принципиально новый тип кабины для пилота — полностью герметизированная и наддуваемая изнутри.

Однако для поддержания жизнедеятельности человека внутри герметической кабины совершенно недостаточно иметь лишь атмосферное давление воздуха и нужное количество кислорода. Внутри космического корабля должен поддерживаться такой климат, к которому человек привык на Земле, т. е. определенный диапазон изменения влажности и температуры воздуха.

Такой искусственно созданный и автоматически поддерживаемый климат был в кабинах советских космических кораблей. Напомним, что в кабине корабля «Восток-5» состав воздуха, давление, влажность и температура поддерживались в заданных пределах почти пять суток. Таким же и даже более высоким требованиям будут удовлетворять рабочие и жилые отсеки ОКС, в которых помещения для экипажа будут намного больше по объему, а время поддержания нормального для человека климата возрастет во много раз.

Физиологическая классификация зон указывает и на то, что на высотах более 36 км интенсивно действует ионизирующая радиация — первичные космические лучи, на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра и на высотах более 120 км — интенсивные метеорные потоки.

Можно представить себе любую другую классификацию зон околоземного пространства. Следует лишь оговориться, что каждая из этих классификаций, как и предыдущие, является условной и неокончательной. В частности, можно рассматривать техническую классификацию зон атмосферы.

По мере подъема на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные всем явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение подъемной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В верхних, разреженных слоях воздуха, где длина свободного пробега частиц становится соизмеримой с длиной волны звуковых колебаний, распространение звука оказывается невозможным. До высот порядка 60–90 км еще возможно использование сопротивления и подъемной силы воздуха для управляемого аэродинамического полета. Но начиная с высот 100–130 км знакомые каждому летчику понятия числа М и «звукового барьера» теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полета там еще можно применить аэродинамическое крыло. На высотах же 180–200 км начинается сфера чисто баллистического полета, управлять которым можно лишь используя реактивные силы. Если при таком полете развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то наступает состояние так называемой динамической невесомости и летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию обычной конвекцией. Это означает, что различные элементы оборудования аппаратуры ОКС не смогут охлаждаться так, как это делается обычно на самолете, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является радиационное излучение. Известно, что полет с большой скоростью в нижних слоях атмосферы связан с очень сильным конвективным нагревом носовой части и обшивки летательного аппарата, возникающим в результате трения о молекулы воздуха. При полете же на высотах 130–160 км нагрев обшивки от трения о воздух становится ничтожно малым.

Итак, где же, начинается собственно космос — свободное межпланетное пространство в «чистом» виде?

Едва ли на этот вопрос можно ответить вполне определенно. На схеме рис. 22 показаны все три рассмотренные нами классификации зон околоземного пространства — физическая, физиологическая и техническая. Интересно, что при подъеме на высоту особенно быстро начинается космос для физиологов — с высоты 19 и даже 15 км. Правда, на этих высотах проявляются лишь отдельные свойства космической среды. Поэтому зону от 19 до 200 км физиологи считают частично эквивалентной космосу.

Конечно, и выше 200 км космос все же отличается от межпланетного пространства, так как еще сказывается влияние близости Земли. Радиационные пояса Земли распространяются на многие десятки тысяч, а гравитационные и магнитные поля — на многие сотни тысяч километров.

Рис. 22. Классификация зон околоземного пространства

Радиация. Пожалуй, одной из самых больших опасностей, подстерегающих человека в космосе, является воздействие космической радиации. Еще не ясны до конца размеры этой опасности, но уже очевидна: необходимость в мощной антирадиационной защите для экипажа ОКС, тем более что вредное влияние радиации на организм обладает свойством накапливаемости и может проявиться через несколько лет или передаться по наследству.

С биологическим действием ионизирующей радиации: люди впервые столкнулись более полувека назад после открытия естественной радиоактивности. Однако серьезным изучением влияния радиации на живые организмы ученые занялись лишь в недавнее время в связи с бурным развитием атомной техники.

Предельно допустимая доза облучения для человека не должна превышать 0,3 рентгена в неделю или 15 рентген в год. Предельной для человека дозой при кратковременном облучении считают 600 рентген. В связи с необходимостью длительного пребывания человека на борту ОКС или в далеком космосе ученые ищут эффективные средства защиты от ионизирующей радиации. Такой защитой, возможно, будут специальные экраны — поглотители и отражатели космических частиц. Ученые ведут также усиленные поиски специальных препаратов, способных в случаях сильного облучения предотвратить или хотя бы задержать развитие лучевой болезни.

При проектировании ОКС будет учитываться влияние космической радиации не только на организм человека, но и на материалы конструкции и оборудование. Исследования показали, что радиация почти не действует на металлы, но в условиях вакуума способна вызывать деполимеризацию пластмасс, нарушающую их структуру. Процесс деполимеризации сопровождается обычно выделением газа, обесцвечиванием, повышением хрупкости и электропроводности, уменьшением сцепляемости частиц пластических материалов.

Известную опасность радиация представляет и для полупроводниковых приборов — транзисторов.

Мы уже упоминали об околоземных поясах радиации, образованных магнитным полем Земли (см. рис. 6). Это главный источник опасных излучений для экипажа ОКС. Радиационная «оболочка» Земли состоит из трех зон, или поясов — внутреннего, внешнего и самого внешнего.

Первый — внутренний пояс радиации — как бы охватывает земной шар вдоль геомагнитного экватора. Он состоит из частиц с высокой энергией — протонов. Относительно центра Земли этот пояс, как и порождающее его магнитное поле, расположен несимметрично: в западном полушарии нижний край его опускается до высоты 600 км, в восточном — поднимается до 1600 км. В некоторых местах (например, в южной части Атлантического океана) повышенная радиация начинается на еще меньших высотах — 350–400 км, что объясняется влиянием местных магнитных аномалий. По широте внутренний пояс распространяется примерно на 20° к северу и на 20° к югу от экватора. Интенсивность потока заряженных частиц в нем переменна по высоте: с подъемом на каждые 100 км она удваивается и достигает максимального значения на высоте 3000 км. Ионизирующее действие радиации внутреннего пояса вызывают главным образом протоны, которые могут создавать максимальную дозу, равную 50-100 рентгенов в час. Создать надежную защиту при такой дозе радиации можно, лишь применяя очень толстые экраны, вес каждого погонного сантиметра которых, по оценке американских специалистов, на современном уровне техники может составлять до 80 г.

Второй — внешний пояс радиации, — открытый советскими учеными, расположен на высотах от 9000 до 45000 км. Он намного шире внутреннего (распространяется на 50° к северу и на 50° к югу от экватора) и также обладает переменной интенсивностью. Максимальная доза, создаваемая внешним поясом за один час, может составить громадную величину — до 10000 рентген. Однако проблема защиты от радиации внешнего пояса будет, по всей вероятности, менее сложной, чем проблема защиты от радиации внутреннего пояса. Дело в том, что внешний пояс состоит в основном из частиц сравнительно невысокой энергии — электронов, от которых могут неплохо защитить даже обычные материалы обшивки космического корабля. Если же применить довольно тонкие свинцовые экраны, то эту дозу можно снизить в тысячи и десятки тысяч раз.

Что касается третьего — самого внешнего пояса радиации, — расположенного на высотах 45000-80000 км, то, несмотря на его пока еще недостаточную изученность, полагают, что радиация в нем не будет представлять большой опасности из-за малой энергии его частиц.

Интенсивность космической радиации резко возрастает под влиянием солнечных вспышек, которые, что особенно важно, довольно нерегулярны по времени и интенсивности. Например, за период с 1956 по 1960 г. было отмечено около десятка мощных вспышек на Солнце с частотой появления около двух в год. Вспышка, наблюдавшаяся 12 мая 1959 г., сопровождалась излучением протонов, которые на высоте 30 км создавали биологическую дозу в 2 рентгена в час; причем надо учитывать, что на этой высоте сильно сказывается экранирующее влияние атмосферы. Как видим, уже этот уровень дозы чрезмерно велик для человека, однако солнечные вспышки могут создавать и более интенсивные потоки радиации. Зарегистрированная в июле того же года при очередной вспышке на Солнце интенсивность потока протонов оказалась в десять раз больше предшествующей.

Обеспечение надежной защиты экипажа космического аппарата от действия радиации солнечных вспышек — весьма сложная задача. Достаточно сказать, что для защиты от средней по интенсивности вспышки 12 мая 1959 г. потребовался бы толстый графитовый экран, вес которого при площади 10 м2 составил бы 5 т. Теперь понятно, почему большое значение приобретает прогнозирование вспышек на Солнце. Многолетними наблюдениями за Солнцем установлено, что в его деятельности имеются периоды минимальной активности, Эти периоды наиболее благоприятны для полетов человека в космос и пребывания людей на борту орбитальных станций. Предполагается, что очередные периоды минимальной солнечной активности будут наблюдаться в 1963–1966 и 1972–1975 гг.

Итак, наибольшую опасность для экипажа ОКС представят интенсивные потоки протонов при вспышках на Солнце и при прохождении станцией внутреннего пояса радиации, где мощность дозы может достигать 1 рентгена в минуту и более. Как мы уже говорили, именно протоны являются теми частицами, от которых в первую очередь необходимо защищаться. Однако при разработке системы радиационной защиты ОКС нужно учитывать и то, что, попадая в материал обшивки и конструкции, протоны способны создавать вторичные продукты радиации, в частности гамма-лучи и рентгеновские лучи, обладающие еще большей проникающей способностью, чем протоны.

Способы защиты от космической радиации могут быть пассивными и активными. Пассивные способы аналогичны тем, которые применяются в настоящее время в практике реакторостроения, и основаны на свойствах материалов поглощать и частично отражать радиацию. Активные способы — это отражение протонов с использованием электростатических или электромагнитных полей. Используя положительный заряд протонов, можно воздействием поля изменить направление их потока и заставить обойти космическую станцию. Активная защита более эффективна, но связана с очень большим расходом энергии.

Пассивная защита может осуществляться экранированием наиболее ответственных, в первую очередь жилых и рабочих, отсеков ОКС щитами из материала, обеспечивающего уменьшение дозы ниже допустимого предела. Наилучшей поглощающей способностью обладают элементы с высоким атомным весом и прочными электронными связями, например свинец. Он является эффективным защитным материалом не только от протонов, но и от вторичных продуктов радиации. Водород, например, в качестве защиты от протонов по весу в пять раз эффективнее свинца, но водород беспомощен против гамма-излучения. Система же защиты свинцовыми экранами имеет очень большой вес.

На графике рис. 23 в логарифмическом масштабе показано изменение потребного веса защитных свинцовых экранов в зависимости от допускаемой скорости нарастания биологической дозы, создаваемой протонами внутреннего пояса радиации на высоте 3500 км и протонами от солнечной вспышки в мае 1959 г. [16].

Рис. 23. График изменения веса защиты в зависимости от скорости нарастания условной биологической дозы:

1 — от протонов во внутреннем поясе радиации; 2 — от протонов солнечной вспышки

На том же графике можно видеть, что если экипаж ОКС длительное время находится на орбите и существует опасность возникновения солнечной вспышки, то для снижения скорости нарастания дозы до более или менее приемлемого уровня (0,001 рентгена в минуту) свинцовая защита должна иметь толщину, соответствующую погонному весу более 500 кг на квадратный метр.

Приведенные зависимости носят, разумеется, общий оценочный характер и нуждаются в дальнейшем уточнении. Однако уже в таком виде они дают представление о потребной толщине свинцовых экранов и свидетельствуют о необходимости применения более эффективных в весовом отношении защитных материалов. Такими материалами могут оказаться исследуемые в настоящее время бор, углерод, полиэтилен и их комбинации.

Весьма перспективным средством повышения эффективности противорадиационной защиты считается комбинирование пассивного экрана с одним из активных способов.

Зная энергию приходящих протонов, нетрудно подсчитать потенциал электростатического поля для отражения всех протонов с заданным уровнем энергии. При создании электростатического поля вокруг космического аппарата его можно окружить двумя концентрическими сферами: внешней, заряженной отрицательно, и внутренней, заряженной положительно. Чем больше будет радиус внешней сферы, тем меньше величина заряда, которую надо сообщить сферам для отражения всех протонов с заданной энергией.

Разумеется, создание противорадиационной защиты подобного типа является пока лишь проблемой. При наличии внешней сферы с радиусом лишь в несколько метров (что само по себе связано с большими конструктивными трудностями) величина заряда, необходимая для защиты от высокоэнергичных протонов, должна быть огромной. Однако в условиях космического вакуума создать большие заряды, видимо, будет легче, чем в атмосфере, где велики токи утечки. Осуществимость такой противорадиационной защиты всецело зависит от создания сверхвысоковольтных электростатических генераторов приемлемого веса.

Электромагнитное поле также может изменять траекторию заряженных частиц, не изменяя их энергии. Для отражения высокоэнергичных протонов важна не только величина электромагнитного поля, но и его форма. Расчеты показывают, что для создания вокруг ОКС сферического защитного электромагнитного поля потребуется громадная электрическая мощность порядка 10-100 Мвт. Несколько эффективнее будут поля других, более сложных форм, например спиральное. Но нельзя забывать и о том, что наличие сильного электромагнитного поля вокруг ОКС затруднит выполнение многих научных экспериментов.

И все же надо полагать, что электромагнитный и электростатический способы противорадиационной защиты будут служить хорошим дополнением к пассивной защите экранированием. А в будущем, при полетах к другим планетам, быть может, они станут основным средством борьбы с радиационной опасностью.

Метеорные тела. Атмосфера надежно защищает поверхность Земли от еще одного «властелина» космоса — метеоров, метеорных дождей и потоков космической пыли. Подходя к поверхности Земли, большинство из этих посланцев космоса сгорает при входе в атмосферу на высоте 40-120 км.

До недавнего времени наши представления об истинных размерах метеорных потоков на больших высотах основывались лишь на оптических и радиолокационных наблюдениях. Только в последние годы благодаря многочисленным запускам исследовательских ракет, спутников и космических кораблей были получены обширные сведения, позволившие более строго подойти к оценке той опасности, которую представляют метеоры при продолжительных полетах людей в космосе.

Частицы космического вещества распределяются в пределах солнечной системы неравномерно и имеют самые различные физические свойства. Пока более или менее изучены метеорные потоки лишь в околоземной части межпланетного пространства, но они-то и представляют наибольший интерес с точки зрения создания ОКС. Обшивка орбитальных станций будет подвержена бомбардировке частицами различных размеров и массы.

Осколки больших метеорных тел, изредка достигающие земной поверхности, называются метеоритами. Они имеют относительно высокие плотности — от 2 г/см3 (плотность камня) до 8 г/см3 (плотность железа). Метеорные частицы кометного происхождения, составляющие 89 % в общем метеорном потоке, имеют, судя по косвенным оптическим и радиолокационным измерениям, гораздо меньшую плотность — ниже 0,05 г/см2 (плотность только что выпавшего снега). Около 10 % общего числа метеорных тел, встречающихся в околоземном пространстве, составляют осколки рассыпавшихся астероидов. Лишь 1 % всех метеорных частиц имеет галактическое происхождение.

Плотность метеора определяют обычно с Земли оптическими методами по яркости его свечения. Скорости метеорных потоков вблизи Земли достигают огромных величин — от 11 до 76 км/сек, причем, как полагают, наиболее интенсивно метеорные потоки действуют в плоскости эклиптики.

В чем же заключается метеорная опасность при полетах в космос? Продолжительные полеты искусственных спутников Земли показали, что вероятность столкновения в космосе с крупными метеорными телами весьма мала. Более реальную угрозу для экипажа и конструкции корабля представляют мелкие твердые частицы. При столкновении, их с обшивкой ОКС в ней могут образоваться сквозные пробоины, что может вызвать разгерметизацию кабины.

Метеорные частицы имеют самые различные размеры и вес. Наиболее крупные из них, весом от 510–3 до 2•10–5 г и диаметром от 1 до 0,2 см, составляют в общем потоке лишь около 0,3 %.

При проектировании обшивки ОКС нельзя забывать о том, что вероятность попадания микрометеора возрастает с увеличением размеров станции. Кроме того, толщина обшивки в значительной мере влияет на вес полезной нагрузки всей станции. Поэтому толщина обшивки должна быть выбрана оптимальной, причем ограничением является, с одной стороны, вес обшивки, с другой — возможность пробивания ее метеорными телами.

Учитывая, что вероятность попадания этих частиц в ОКС невелика, полет станции практически можно будет считать безопасным в течение длительного времени. Несмотря на это, конструкторам космических станций придется преодолеть немало трудностей при создании прочных и легких обшивок. Для этого им необходимо знать возможные глубины проникновения микрометеоров в различные материалы. Все эксперименты в этом направлении проведены пока что при скоростях метеорных частиц до 8 км/сек и плотностях материалов больших, чем это необходимо. Существует много различных оценок пробивных свойств микрометеоров. По опубликованным данным [21], глубина проникновения микрометеора в дюралевую обшивку в среднем равна 7,5 d, а в стальную — 4,4 d, где d- диаметр метеора. Тогда по средневероятностной оценке размеров метеоров для обшивки ОКС потребуется толщина 4,8 мм для дюраля (вес 1 м2 обшивки 12,6 кг) и 2,8 мм для стали (вес 1 м2 обшивки 21,4 кг).

В зависимости от размеров пробитого отверстия и объема внутренних помещений ОКС воздух будет с той или иной скоростью вытекать наружу. Расчеты показывают, что в среднем скорость падения давления (декомпрессии) в помещении ОКС при пробивании обшивки метеорным телом, как правило, будет не настолько значительной, чтобы космонавты не успели принять необходимые защитные меры: перейти в запасную кабину (если таковая имеется) или надеть специальный скафандр.

Конструкторы ищут пути уменьшения вероятности пробоя обшивки космических кораблей путем подбора лучших материалов и создания специальных конструкций обшивки. Из новых материалов, выгодных с точки зрения уменьшения веса обшивки и способных более или менее успешно противостоять метеорным телам, можно назвать бериллий, магний, титан. Каждый из них имеет, конечно, и свои недостатки. Например, магний при нагреве теряет свои прочностные свойства, поэтому он может быть применен лишь в том случае, если конструкция ОКС не будет возвращаться на Землю. Кроме того, предполагается использовать самогерметизирующиеся при пробое резиновые материалы, наносимые на металлическую обшивку и предохраняющие от утечки воздуха при пробое, как это делается в авиации для герметизации баков.

Рис. 24. Схема многослойной антиметеорной защиты:

1 — тонкая внешняя стенка; 2 — толстая внутренняя стенка; 3 — «запечатывающий» материал; 4 — бандаж; 5 — сепаратор из фольги

Весьма перспективным способом антиметеорной защиты является применение многослойной обшивки, состоящей из нескольких листов металла, разделенных промежутками. Защитные листы можно сделать очень тонкими, и суммарный вес многослойной обшивки будет во много раз меньше веса однослойной защиты. В простейшем случае такая обшивка состоит из двух стенок. Внешняя стенка, выполненная, например, из бериллия, — тонкая — толщиной всего 0,3–0,5 мм; она предназначена для поглощения энергии микрометеоров низкой плотности. Толщина внутренней стенки, также бериллиевой, будет выбрана в соответствии с обычными условиями непробиваемости для определенного размера частиц в течение заданного времени.

Многослойную обшивку ОКС можно сделать еще более тонкой и легкой, если промежутки между стенками заполнить резиновым материалом или специальным веществом, способным «запечатывать» пробоины, например кипящим при понижении давления. Многослойная обшивка с «запечатывающим» заполнителем показана в разрезе на рис. 24.

Хотя пробивание обшивки микрометеором даже при длительном существовании ОКС можно считать весьма редким явлением, с которым к тому же можно довольно успешно бороться, тем не менее метеорную опасность нельзя недооценивать. Кроме того, постоянное воздействие мелких метеорных частиц на различные поверхности приведет к их эрозии, т. е. к уносу материала с поверхности обшивки. При проектировании ОКС с периодом существования более одного года придется, вероятно, учитывать возможное уменьшение толщины обшивки вследствие эрозионного действия попавших в обшивку станции метеорных тел. Вероятно, эрозии будет подвергаться и разнообразное оборудование научной космической станции: наружные линзы оптических приборов, поверхности излучателей и солнечных коллекторов.

 

ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА?

Любая форма живой материи немыслима вне той среды, к существованию в которой она приспособлена, причем более высокоорганизованные формы жизни являются и более требовательными к постоянству состава и свойств внешней среды.

Отрасль биологии, занимающаяся изучением взаимоотношения живых организмов с окружающей их средой, называется экологией. Наука поставила перед учеными и инженерами сложнейшую проблему: как обеспечить человеку вне Земли длительную работоспособность, как создать в космической пустыне, в невесомости условия, пригодные для жизни и работы?

Протекание жизненных процессов в человеческом организме основано на преобразовании одних форм энергии в другие, которое сопровождается химическими превращениями веществ. Так, при совершении мускульной работы входящие в состав человеческого организма углеводы и жиры (вещества с высоким уровнем энергии) превращаются в воду и углекислый газ (вещества с низким уровнем энергии). Освобождающаяся при этом энергия идет на получение полезной механической работы. Кроме того, часть энергии выделяется и рассеивается в виде тепла. Убыль энергии восполняется затем вводом в организм новых жиров и углеводов. Это пример одного из многочисленных проявлений так называемого метаболизма — круговорота веществ в живом организме при взаимодействии его с внешней средой.

Количественные отношения, в которых совершается процесс обмена веществ, во многом зависят от состояния окружающей среды, например от температуры. Но прежде всего они определяются родом жизнедеятельности. Достаточно сказать, что часовое потребление кислорода человеком может изменяться в среднем от 15 л при полном покое (сон) до 75 л и более при тяжелой физической работе.

Однако для уяснения требований, предъявляемых к системе жизнеобеспечения экипажа ОКС, обычно рассматривают некоторые средние нормы. Примером таких осредненных норм суточного круговорота веществ в организме человека могут служить данные, представленные в виде диаграммы на рис. 25 [16]. Приведенная диаграмма составлена из предположения, что вес человека равен 70 кг, суточный рацион питания состоит из 80 г белков, 270 г углеводов и 150 г жиров, а отношение массы вдыхаемого кислорода к массе выдыхаемого углекислого газа составляет 0,82. Рассматривая диаграмму, можно прийти к двум важным выводам. Во-первых, масса всех вводимых в организм веществ равняется массе всех выделяющихся продуктов жизнедеятельности; другими словами, процесс обмена веществ у здорового взрослого человека, вес которого практически остается неизменным, совершается при строгом массовом балансе. Во-вторых, воды выделяется несколько больше, чем вводится. Увеличение массы воды происходит за счет окислительных процессов пищеварения. Количество этой «лишней» воды зависит от типа пищи. Жиры, в частности, создают больший прирост воды, нежели белки и углеводы.

Таким образом, для поддержания постоянства весового баланса веществ, который на Земле вполне естествен, на борту ОКС должна постоянно действовать заранее рассчитанная система обеспечения жизнедеятельности человека. Такая система называется экологической.

Рис. 25. Диаграмма суточного круговорота веществ в организме человека

Важно тщательно предусмотреть все факторы, влияющие на процесс обмена веществ. Выгодно ли, например, увеличить в рационе космонавта процент высококалорийных жиров? Казалось бы, да — ведь это позволит снизить вес запасаемых на борту продуктов питания. Но оказывается, что увеличение в рационе количества жиров будет повышать содержание воды в атмосфере кабины, а следовательно, потребует и дополнительного влагопоглощающего оборудования. Таким образом, исходя из требования минимального веса всей экологической системы можно будет найти оптимальные решения.

Приступая к разработке принципов построения экологических систем для полетов в космос, ученые обращаются прежде всего к идеальному прототипу таких систем, которым служит созданный самой природой, «космический корабль» — наша планета. На Земле осуществляется замкнутый круговорот всех необходимых для жизни веществ: постоянно расходуются и вновь регенерируются вода и азот, циклически совершаются превращения кислорода в углекислый газ при дыхании животных и углекислого газа в кислород при фотосинтезе в растениях и т. д.

Возникает вопрос: можно ли хотя бы в какой-то мере скопировать эти процессы в экологической системе ОКС? Ведь запастись всеми нужными для жизни продуктами в достаточном количестве для длительного пребывания людей в космосе очень сложно. Это потребует огромного количества транспортных ракет, тем более что вес потребного запаса быстро возрастает с увеличением численности экипажа и времени полета.

Разумеется, какой-то первоначальный запас надо иметь в любом случае. Однако если при кратковременном полете в космос можно пойти на то, чтобы полностью расходовать этот запас, заботясь лишь об удалении продуктов жизнедеятельности из кабины, то обеспечение продолжительного пребывания человека в космосе заставляет подумать о способах регенерации продуктов жизнедеятельности для повторного их использования. Это означает, например, что надо иметь такие материалы для поглощения углекислого газа и влаги, которые допускали бы многократное применение их после регенерации. Еще лучше, если они будут при этом в достаточном количестве выделять новые порции необходимого для человека кислорода. Ставится и более сложная задача получения пищевых продуктов из остатков процесса жизнедеятельности: сахара и крахмала — из углекислого газа и воды, белков — из азотсодержащихся веществ мочевины.

Главной проблемой при создании экологической системы ОКС является поддержание в кабине нормального давления и состава атмосферы, а также ее температуры и влажности. При этом давление в кабине может быть и меньше атмосферного, но не ниже 0,7 кг/см2. Парциальное давление кислорода необходимо поддерживать близким к давлению на уровне моря (158 мм рт. ст.). Давление других газов, присутствующих обычно в земной атмосфере, соответствующее их содержанию, не должно превышать следующих норм: для углекислого газа — 4–8 мм рт. ст., паров воды — 5-12 мм рт. ст.

В настоящее время существует несколько способов поддержания нормального состава атмосферы в герметических кабинах. Все они сводятся к одному — к созданию запаса кислорода и средств для поглощения углекислого газа и воды.

Самый простой способ обеспечения экипажа кислородом — это создание на борту ОКС его запасов в газообразном или жидком виде. Но хранение газообразного кислорода приводит к большому «мертвому» весу металлических баллонов. Так, например, вес газообразного кислорода обычно составляет только 10–20 % полного веса снаряженных баллонов.

Жидкий кислород хранится в специальных сосудах — конверторах. Однако хранение его в условиях космического полета сопряжено с некоторыми техническими трудностями. В частности, необходимо иметь очень хорошую тепловую изоляцию конверторов с жидким кислородом для уменьшения потерь на испарение.

Перспективным представляется получение кислорода непосредственно на борту ОКС из продуктов, запасенных на Земле, хранение которых в количествах, достаточных для обеспечения кислородом, не вызывает больших трудностей.

Такими химическими соединениями, которые при реагировании с другими веществами выделяют кислород, вполне пригодный для дыхания, являются перекись водорода (Н2О2), хлорат натрия (NaClO3), перекись натрия (Na2О2) и др. Правда, с точки зрения весовой отдачи химические источники кислорода занимают пока промежуточное положение между баллонами с газообразным кислородом и жидкостными конверторами.

Использование химических соединений для кислородного снабжения экипажа ОКС может дать и другие преимущества. Некоторые из этих веществ могут не только выделять кислород, но и образовывать продукты, способные поглощать углекислый газ, частично влагу, также уничтожать вирусы и бактерии. Примером такого соединения служит перекись калия КО2. При взаимодействии перекиси калия с водяными парами протекает следующая реакция:

4КО 2 +2Н 2 О = 4КОН+3О 2 .

Как видно из уравнения этой реакции, кроме трех молекул О2, образуется еще четыре молекулы гидроокиси калия, которые можно затем использовать для поглощения углекислого газа:

4КОН+2СО 2 = 2К 2 СО 3 +2Н 2 О.

Кстати, для поглощения углекислого газа давно уж используют гидроокиси щелочных металлов — натрия калия, кальция, бария или лития. Правда, при поглощении углекислого газа гидроокисью какого-либо щелочного металла образуется вода, часть которой испаряется и должна удаляться другими влагопоглотителями.

Существует также метод удаления углекислого газа основанный на высокой растворимости его в некоторых жидкостях. Этот метод, широко применяющийся на подводных лодках, требует довольно тяжелых и громоздки; установок, что делает его малопригодным для использования в космосе.

В качестве влагопоглотителей для герметической кабины предлагается целый ряд химических веществ Обычные поглотители воды — окислы кальция или бария и широко использующийся в авиации и быту силикагель — требуют от 7 до 10 единиц собственного веса для поглощения одной весовой единицы воды. Значительно выгоднее в весовом отношении перхлорат магния и хлорид лития, требующие лишь 2–3 единицы собственного веса на единицу веса поглощаемой воды. Перхлорат магния может к тому же регенерироваться, т. е. восстанавливаться нагреванием. Правда, это потребует специальных мер предосторожности, так как перхлорат магния при контакте с парами органических веществ и высокой температуре становится взрывоопасным.

Воду и углекислый газ можно удалять и вымораживанием. На ОКС с постоянной ориентацией на Солнце такой метод может оказаться эффективным; для этого необходимо будет обеспечить отвод воды и углекислого газа на холодную, теневую, сторону станции. Как показали лабораторные испытания [23], система поддержания атмосферы в герметической кабине с использованием перекиси калия получается достаточно простой и надежной, причем для поддержания жизнедеятельности одного человека в течение суток необходимо иметь около 2 кг перекиси калия. Определенный интерес для регенерации кислорода на борту ОКС представляет также известный из химии процесс электролиза, т. е. разложения воды под действием электрического тока на кислород и водород. Необходимые для этой цели запасы воды могут пополняться с помощью углекислого газа, который сам может быть превращен в воду при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора. Полученный в результате электролиза газообразный кислород можно использовать непосредственно для дыхания, а водород вновь применить для получения воды.

Выполненная в США действующая модель электролитического устройства для регенерации кислорода в герметической кабине весит около 90 кг и занимает площадь примерно 0,2 м2.

Недостатками системы, использующей электролиз воды, являются взрывоопасность свободного водорода и довольно значительный расход электроэнергии. Рассмотренные выше способы поддержания нормального состава атмосферы в герметической кабине основаны на физико-химических процессах, протекающих без участия органической природы, и предоставляют поэтому лишь ограниченные возможности для получения замкнутого кругооборота веществ внутри космической станции.

Но еще К.Э.Циолковский указывал, что в систему жизнеобеспечения продолжительных полетов нужно включать живую материю. Он предлагал выращивать на космическом корабле растения, богатые хлорофиллом, В последнее время в литературе по космической медицине широко обсуждается вопрос об использовании для этой цели водорослевых культур. Особенно перспективна в этом отношении одноклеточная водоросль хлорелла. Теоретически она позволяет осуществить почти полностью замкнутый цикл обмена веществ внутри ОКС при сравнительно несложном оборудовании. Из 230 л водной суспензии хлореллы под действием света ежедневно может выделиться около 600 л кислорода. При этом в процессе фотосинтеза образование кислорода сопровождается поглощением углекислого газа, причем отношение объема выделяемого кислорода к объему поглощаемого углекислого газа равно единице.

Хлорелла обладает еще одним интересным свойством. В процессе роста она синтезирует ценные пищевые продукты: белки, углеводы, жиры и различные витамины, которые могут служить пищей человеку. Если учесть, что для питания хлореллы пригодны такие продукты жизнедеятельности человека, как мочевина, соли и эфиры азотной кислоты, то эту ценную водоросль можно считать замыкающим звеном в цикле азотного обмена между человеком и растениями. Кстати, растет хлорелла поразительно быстро: каждый килограмм ее при соответствующих условиях может увеличить свой вес за сутки в 2,6 раза.

Водорослевая система жизнеобеспечения обладает отличными весовыми характеристиками. Целесообразность ее применения возрастает с увеличением времени пребывания в космосе. Трудностей в разработке подобных систем еще очень много. Но несомненные достоинства их для применения на очень больших обитаемых станциях, а также при длительных межпланетных полетах привлекают к ним все большее внимание.

Приведем примерную классификацию и весовые характеристики экологических систем, предназначаемых для обитаемых космических аппаратов, которые позволяют судить о целесообразности применения системы того или иного типа в зависимости от продолжительности полета [28].

В качестве критерия для классификаций взята степень изолированности экологической системы от внешней среды, т. е. способность к продолжительному функционированию без пополнения необходимыми продуктами извне. С этой точки зрения все экологические системы могут быть подразделены на незамкнутые (открытые), полузамкнутые и замкнутые.

В открытой системе кислород, вода и пища запасаются на все время полета, а накапливающиеся продукты жизнедеятельности постоянно удаляются из кабины. Открытые системы имеют несложное оборудование — баллоны, контейнеры, вентиляторы, приборы контроля за поступлением и удалением продуктов. Вес таких систем быстро возрастает с увеличением продолжительности полета и численности экипажа.

В полузамкнутой системе пища и питьевая вода также запасаются на все время полета, но первоначальный запас кислорода может быть взят небольшим, поскольку в такой системе предусматривается поддержание нормального состава атмосферы кабины одним из рассмотренных выше способов. В отличие от открытой системы в этом случае удаляются наружу не все продукты жизнедеятельности. Углекислый газ используется в ней для регенерации кислорода.

Для замкнутой экологической системы характерным является минимум отброса продуктов жизнедеятельности. Исходный запас продуктов, в том числе и пищевых, многократно регенерируется для повторного использования. Такие системы нуждаются в сложном оборудовании для осуществления в герметической кабине замкнутого кругооборота веществ, но «мертвый» вес этого оборудования практически не изменяется с течением времени, а первоначальный запас продуктов зависит только от численности экипажа.

Из диаграммы (рис. 26), показывающей зависимость веса систем жизнеобеспечения различных типов от продолжительности времени их применения для ОКС с тремя космонавтами на борту, можно увидеть, что небольшие ОКС, рассчитанные на продолжительность существования две — три недели или на частую смену экипажа с доставкой необходимых грузов, могут иметь экологические системы открытого типа [28]. Полузамкнутая экологическая система обладает приемлемым весом при продолжительности полета до двух месяцев (срок, считающийся вполне достаточным для ОКС со сменой экипажа и пополнением запасов пищи и воды с Земли грузовыми ракетами).

Рис. 26. Диаграмма изменения веса экологических систем в зависимости от времени полета ОКС с экипажем из трех человек:

1 — открытая система; 2 — полузамкнутая система; 3 — замкнутая система

Рассмотрим один из возможных вариантов незамкнутой экологической системы на примере американского проекта трехместной научной лаборатории «Сателлаб», рассчитанной на автономное существование на орбите в течение двух недель [28].

С целью повышения надежности основные отсеки «Сателлаба» имеют сдублированную систему жизнеобеспечения, принципиальная схема которой представлена на рис. 27. Капсула возвращения экипажа и отсеки лаборатории имеют идентичные, независимые друг от друга системы теплорегулирования и поддержания нормального состава атмосферы. На орбите в нормальных условиях функционирует система лабораторного отсека, в случае отказа последней включается система, размещенная в капсуле возвращения.

Рис. 27. Схема экологической системы обитаемой космической станции «Сателлаб»:

1 — автоматический регулятор расхода кислорода; 2 — ручной регулятор расхода азота; 3 — вентилятор; 4 — кондиционирующая установка; 5 — электростатический фильтр очистки воздуха; 6 — поглотитель CO2 и запахов; 7 — регулятор давления в кабине; 8 — отверстие подвода воздуха в кабину; 9 — отверстие забора воздуха; 10 — клапаны для подсоединения шлангов наддува скафандров; 11 — водяной насос; 12 — излучатель; 13 — кипятильник; 14 — обратный клапан

Поясним некоторые особенности рассматриваемой экологической системы, связанные с поддержанием нормальных атмосферных условий.

Кислород и азот запасаются в жидком виде, причем расход кислорода контролируется автоматически в зависимости от потребностей экипажа и полного давления в кабине; поступление же азота регулируется вручную. Углекислый газ непрерывно удаляется поглощением гидроокисью лития, хранящейся в специальных канистрах, каждая из которых рассчитана на сутки.

Вредные, газы и неприятные запахи поглощаются с помощью фильтров из древесного угля. Для этой же цели служат электростатические воздушные фильтры-ионизаторы. Очень важную роль выполняют вентиляторы, осуществляющие принудительную циркуляцию воздуха в кабине с целью рассасывания возможных в условиях невесомости застойных зон вредных газов. В аварийной обстановке космонавты могут надеть скафандры с наддувом воздухом. Изготовленный из пластиков скафандр вместе со шлемом и ботинками весит около 9 кг. К числу аварийных средств относятся и индивидуальные дыхательные приборы, используемые также при переходе из одного отсека в другой через шлюзовые люки.

Полный вес экологической системы «Сателлаб» без учета запаса пищи и питьевой воды составляет около 700 кг.

В настоящее время наиболее разработаны экологические системы открытого типа. Такие системы можно успешно использовать на первом этапе освоения околоземного космического пространства, учитывая возможность снабжения орбитальных станций с Земли. В дальнейшем, по мере увеличения числа и размеров обитаемых станций, будет выгоднее, видимо, перейти к созданию более сложных полузамкнутых и замкнутых систем жизнеобеспечения.

На крупных ОКС можно будет испытывать и отрабатывать замкнутые экологические системы будущих межпланетных кораблей, предназначенных для многолетних путешествий к отдаленным мирам.

 

ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ

Регулирование температуры входит в комплекс создания микроклимата внутри помещений ОКС.

Температурные условия на станции должны способствовать успешной работе экипажа и оборудования. Температуру внутри жилых помещений и приборных отсеков станции, а также тепловой режим конструкции станции необходимо поддерживать в заданных пределах в течение длительного времени.

Радиотехническая, фотографическая, энергетическая другая научная аппаратура, устанавливаемая внутри снаружи станции, потребует поддержания вполне определенной температуры. Большинство элементов современного авиационного и космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50 °C, но некоторые космические приборы нуждаются в еще более узком диапазоне температур.

Организм человека весьма чувствителен к колебаниям температуры окружающей среды; привычный диапазон температуры для него невелик — от +15° до +25 °C. Что является источниками тепла для ОКС? Это не только приборы, аппаратура, а также жизнедеятельность членов экипажа станции, но и внешние источники — Солнце и Земля, отражающая солнечные лучи и имеющая собственное тепловое излучение.

Тепловой поток от внутренних источников может изменяться в широком диапазоне величин в зависимости от числа членов экипажа и мощности тепловыделяющего оборудования. Тепло, выделяемое одним человеком, равно примерно тепловыделению 100-ваттной электролампы и составляет около 0,033 ккал/сек. По некоторым данным, тепловой поток от оборудования средней по размерам пятиместной ОКС может колебаться от 0,7 до 1,75 ккал/сек [16].

Особенностью теплового режима внутренних помещений ОКС является отсутствие вследствие невесомости естественной конвекции воздуха. Поэтому потребуется принудительная вентиляция, а это еще один источник тепла и потребитель энергии.

Количество тепловой энергии, поступающей от Солнца на площадку, перпендикулярную к солнечным лучам, в верхних слоях атмосферы равно 1140 ккал/м2•час. Как известно, альбедо Земли, т. е. доля отраженного от поверхности Земли солнечного теплового потока, равно 37 %. Собственное излучение Земли дает тепловой поток величиной 180 ккал/м2•час.

Основные проблемы терморегулирования ОКС — это теплоизоляция и отвод избыточного тепла в окружающее пространство. Отвод тепла в космосе возможен только излучением, так как конвективный теплообмен со средой у космических тел практически отсутствует.

Следует отметить, что создание системы терморегулирования осложняется неравномерностью тепловых потоков во времени. О нерегулярной работе оборудования говорить не приходится. Солнечный тепловой поток равен нулю при прохождении тени Земли. И излучение Земли, и отраженный поток также зависят от взаимного положения станции, Земли и Солнца, а также от облачного покрова Земли.

Воспринимающая внешние тепловые потоки наружная поверхность ОКС является одновременно излучающей поверхностью.

Как известно, количество излученного с поверхности тепла пропорционально четвертой степени температуры этой поверхности. Это значит, что, чем выше температура поверхности обшивки ОКС, тем больше она отдает тепла в космос. Но при этом для поддержания требуемой температуры внутри станции потребуется усиленная теплоизоляция, а может быть, и дополнительная система охлаждения.

На рис. 28 показана схема тепловых потоков в случае, когда температура наружной обшивки станции выше, чем температура внутренней стенки.

Пусть на поверхность наружной обшивки падает теплопоток Q1 от внешних источников, а к внутренней стенке кабины подходит поток Q2 от внутренних источников тепла. В зависимости от поглощательно-отражательной способности и теплопроводности наружной обшивки большая или меньшая часть внешнего тепла уходит обратно в окружающее пространство (поток Q3). Остальная часть теплового потока (Q1 — Q3) проникает в межстеночный промежуток. Чем выше теплоизоляционные свойства этого промежутка, тем меньшая часть потока (Q1 — Q3) достигает внутренней стенки и тем больше температура наружной обшивки. Чтобы температура внутренней стенки не превышала верхнего установленного предела, внутренний теплопоток Q2 и часть внешнего потока (Q1 — Q3) должны быть отведены от стенки.

Рис. 28. Схема теплового баланса на наружной обшивке орбитальной станции:

1 — внешняя оболочка; 2 — теплоизоляция; 3 — внутренняя стенка; 4 — поток охладителя; 5 — радиационный излучатель

Отвод тепла от внутренних стенок может производиться с помощью какого-либо жидкого теплоносителя, например воды. В этом случае вода циркулирует по вделанным в стенки трубам, забирает тепло, а затем поступает в специальный, расположенный на теневой стороне станции радиатор. Для отвода тепла, кроме того, могут быть использованы химические реакции или процессы изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение) с целью поглощения тепловых потоков. Если обозначить отводимое через радиатор тепло через Q4, то можно написать уравнение теплового баланса для рассматриваемой стенки:

Q 1 +Q 2 = Q 3 +Q 4

Было бы сравнительно нетрудно обеспечить заданный температурный режим внутри ОКС с помощью радиатора расчетных размеров, если бы внешний и внутренний теплопотоки были постоянны во времени. Создать же гибкую систему с переменным теплоотводящим потоком — очень сложная задача. Необходимо, чтобы хотя бы один из потоков, входящих в тепловой баланс, например Q3 или Q4, можно было изменять. Одним из решений этой задачи является использование межстеночного промежутка с переменной теплоизолирующей способностью, позволяющей изменять поток Q1 — Q3. Несколько проще обстоит дело в случае охлаждения жидким теплоносителем — можно будет просто менять его расход. Но можно регулировать и теплопоток Q3, т. е. изменять излучающую способность наружной поверхности. Этого можно будет достигнуть надлежащим подбором материала наружной обшивки ОКС, «скроив» ее из отдельных кусков так, чтобы участок с высокой отражательной способностью чередовался с участком, материал которого хорошо поглощает тепло. Ученые работают также над специальными тонкими керамическими покрытиями с переменной, зависящей от температуры, излучающей способностью. Представляет интерес также способ механического регулирования, теплопотока Q3 с помощью выдвижных ставней или поворотных лопастей, меняющих поглощательно-отражательные свойства поверхности.

Здесь возникает также проблема подбора материалов для наружной обшивки конструкции ОКС с учетом их свойств как отражателей или поглотителей внешних излучений.

Количественно эти качества материала оцениваются отношением коэффициента поглощения a к коэффициенту его излучения e. В зависимости от величины a/e материал считается либо поглотителем тепла, либо его отражателем.

Некоторые полированные металлы (нержавеющая сталь, алюминий, сплавы магния) имеют высокое значение a/e — от 3 до 4,5. Это поглотители тепла.

Другие материалы являются отражателями тепловой радиации, например белые оксидные пленки алюминия (a/e ~ 0,3) или цинковые белила (a/e ~ 0,19). Очевидно, что поглотители будут нагреваться гораздо сильнее под действием тепловой радиации, чем отражатели.

Терморегулирование подбором материала обшивки следует рассматривать как простейший способ сохранения заданного теплового режима ОКС. Более сложными являются метод терморегулирования с замкнутым контуром теплоносителя и радиатором, о котором мы уже упоминали, и метод вакуумно-газовой изоляции. Суть последнего метода — в заполнении межстеночного промежутка обшивки ОКС специальным порошковым или волокнистым материалом, обладающим пониженной теплопроводностью. Увеличение термического сопротивления такой обшивки производится откачиванием, а уменьшение — нагнетанием воздуха (газа), который заполняет пространство между отдельными частицами изолирующего материала. При откачивании воздуха уменьшаются газовые промежутки между частицами изолирующего материала, теплоизолирующая способность растет за счет уменьшения доли тепла, передаваемого конвекцией газа. В качестве заполнителей могут быть применены такие волокнистые материалы, как термофлекс, керамофибровые заполнители и др. В качестве газа может применяться не только, воздух, но и, например, углекислый газ, азот, гелий или водород.

Вся оболочка конструкции ОКС может в этом случае состоять из отдельных автономных секций, каждая из которых будет наддуваться независимо от других. Подвод газа к различным секциям можно осуществить по-разному. Во-первых, газ может подаваться из запасенных на борту станции контейнеров, где он будет находиться под давлением или в жидком состоянии. Во-вторых, в обычный материал изоляции может быть включено специальное вещество, способное, например, при увеличении температуры внутренней поверхности обшивки выделять газ, благодаря чему увеличится теплоотвод. Расход газа, потребный для эффективного терморегулирования с помощью вакуумно-газовой изоляции, оказывается небольшим.

Поскольку, как правило, одна часть поверхности станции будет оставаться холодной, а другая нагретой, то секционный принцип терморегулирования позволит обойтись очень небольшим количеством газа даже в том случае, когда для повышения теплосопротивления часть газа придется стравливать наружу.

По ориентировочным расчетам, одного литра жидкого азота в системе наддува термоизоляции ОКС достаточно для надежного терморегулирования обшивки с площадью поверхности 90 м2.

Для крупных станций эффективность такой системы терморегулирования может оказаться недостаточной. Тогда потребуется применение системы с циркуляцией теплоносителя по замкнутому контуру. При этом, конечно, система значительно усложнится, так как потребуются перекачивающие насосы, теплообменники, дополнительное количество трубопроводов. В системах, построенных по этому принципу, в качестве теплоносителя лучше всего использовать воздух или воду.

Более простой является воздушная система охлаждения, состоящая из нескольких каналов, по которым протекает воздух из кондиционирующей установки. Если температура внутренней стенки находится на заданном уровне, то весь кондиционированный воздух поступает прямо в кабину. При повышении температуры воздух направляется в каналы, расположенные в данный момент времени на «холодной» стороне станции, и охлажденным подается в кабину.

Более сложная схема терморегулирования с замкнутым циклом теплоносителя предполагает окружение внутренних стенок кабины водой, протекающей через сеть тонких трубок. Подобная схема, включенная в общую систему обеспечения жизнедеятельности экипажа орбитальной научной лаборатории (американский проект «Сателлаб»), показана на рис. 27. Система терморегулирования «Сателлаб» предназначена для передачи тепловых потоков от тепловыделяющего оборудования и нагретых участков обшивки к расположенному на теневой стороне радиатору и состоит из множества наполненных водой трубок, нескольких подводящих и отводящих магистралей, перекачивающих насосов и двух кондиционирующих установок теплообменного типа. Регулирование теплового режима осуществляется изменением расхода воды через соответствующие магистрали, а также циркуляцией воздуха кабины через кондиционирующие установки. Большая эффективность системы достигается раздельным регулированием температуры в кабине и в контейнерах с электронной аппаратурой. Главные источники внутреннего нагрева, например координационно-вычислительное оборудование, теле- и радиоаппаратура, изолируются от атмосферы кабины и имеют свои собственные системы терморегулирования, подобные тем, которые применяются в настоящее время в авиации и на ракетах.

В заключение нужно отметить, что, хотя при любом способе терморегулирование на ОКС должно осуществляться автоматически, необходимо все же предусмотреть возможность активного вмешательства в процесс регулирования температурного режима со стороны экипажа.

 

ИСКУССТВЕННАЯ СИЛА ТЯЖЕСТИ

Над проблемой человек в невесомости давно работают многие специалисты космической медицины, но, несмотря на наличие экспериментальных данных, много вопросов, связанных с влиянием невесомости на человека, остаются пока неразрешенными. Главное в этой проблеме — переносимость человеком длительного пребывания в невесомости и перехода затем к нормальным условиям.

До полетов человека в космос с помощью лабораторных исследований не удавалось даже сколько-нибудь приблизиться к разрешению этих вопросов. Объясняется это прежде всего трудностью получения невесомости в наземных условиях. Известно, например, что наибольшая продолжительность состояния невесомости, достигаемая обычными, некосмическими средствами (при полете самолета по специальной параболической траектории), составляет всего около 1,5 мин. Однако даже в этих условиях удалось установить, что состояние невесомости неодинаково переносится разными людьми. Одни вполне удовлетворительно чувствуют себя в невесомости, испытывая приятное ощущение необычайной легкости, другие, наоборот, испытывают состояние непрерывного падения, ощущая при этом тошноту и головокружение.

Полет первого космонавта Ю.А.Гагарина был одним из самых смелых экспериментов в мировой науке. Ведь до него никто не мог сказать вполне определенно, как будет вести себя человек после полуторачасового пребывания в невесомости.

Полет Титова — это 25 часов, а полет Быковского — это почти пять суток в состоянии невесомости. Значение этих полетов для создания будущих ОКС трудно переоценить.

Здесь мы не будем останавливаться на психико-физиологических воздействиях невесомости на человека***. Скажем только, что нормальная жизнь и работа на борту ОКС могут быть вполне возможны и в условиях невесомости, но лишь в том случае, если все члены экипажа пройдут специальную тренировку. В противном случае уже через некоторое время возможна полная или частичная потеря пространственной ориентировки и координации движений. Причина этого — нарушение функционирования вестибулярного аппарата и прекращение поступления обычных рецепторных сигналов от мышц и сухожилий после «исчезновения» веса тела. Возможно, что длительная весовая разгрузка скелетных мышц отрицательно скажется на их тонусе, а следовательно, и на состоянии всего организма.

Только длительной специальной тренировкой можно достичь известной приспособляемости организма человека к необычным условиям полета в невесомости и добиться хорошей ориентировки в пространстве, координации движений.

Такая тренировка не понадобится лишь в том случае, если конструкция ОКС позволит получить постоянно действующую искусственную силу тяжести в рабочих и жилых помещениях ОКС. Создание искусственной гравитации на орбите возможно с помощью центробежных сил, возникающих при равномерном вращении элементов конструкции, отнесенных на некоторое расстояние от центра вращения. Величина создаваемой гравитации определится этим расстоянием и скоростью вращения.

Технические проблемы осуществления искусственной силы тяжести на больших ОКС не являются непреодолимыми. Энергетические затраты будут также невелики. Первоначальный момент вращения может быть создан кратковременным включением небольших ракетных двигателей, а энергетические затраты на поддержание заданной угловой скорости будут ничтожно малыми. Если вращаться будет вся конструкция ОКС целиком, то единственное и очень слабое тормозящее действие будут оказывать лишь остатки атмосферы; если же вращение будет сообщено лишь расположенным на периферии жилым отсекам, а центральная часть конструкции будет неподвижна, то торможение будет вызываться также и трением в соединениях и подшипниках.

Однако в физиологическом отношении преимущества искусственной тяжести, создаваемой вращением, перед состоянием невесомости во многом являются пока спорными.

Уровень гравитации на Земле определяется ускорением силы тяжести, равным в среднем 9,81 м/сек2 («перегрузка» 1 g). Значение необходимого уровня гравитации на орбитальной станции нуждается еще в серьёзных экспериментальных исследованиях. Однако уже сейчас можно сказать, что особой необходимости в создании ускорения, эквивалентного нормальной земной гравитации, нет, так как уровень гравитации, в три — четыре раза меньший земного (0,25-0,3 g), переносится человеком вполне нормально. Каким же образом можно получить подобный уровень гравитации?

Из механики известно, что центростремительное ускорение равно радиусу вращения, умноженному на квадрат угловой скорости. Очевидно, желаемый уровень искусственной гравитации можно создать либо быстрым вращением на малом радиусе, либо медленным вращением на большом радиусе. Физиологические возможности человеческого организма накладывают вполне определенное ограничение на величину допустимой угловой скорости. Многочисленными экспериментами на центрифугах выявлено, что уже при скорости, большей 4 об/мин, у испытуемых возможно нарушение нормального функционирования вестибулярного аппарата.

С другой стороны, при уменьшении радиуса вращения уменьшается окружная скорость и, следовательно, увеличивается процентное ее изменение по направлению от ног к голове стоящего человека. Испытаниями на центрифугах установлено, что это изменение не должно превышать 10–15 %; в противном случае при движениях космонавта будут возникать неблагоприятные для его самочувствия кориолисовы ускорения. Ориентируясь на средний рост человека, легко подсчитать нижний предел, для окружной скорости вращения кабины. Он оказывается равным примерно 6,7 м/сек. При угловой скорости 4 об/мин такая окружная скорость может быть получена на радиусе 16 м, а развиваемое при этом центростремительное ускорение составит всего одну треть от земного ускорения силы тяжести.

Поскольку величина 16 м есть минимально допустимая для радиуса вращения кабины, для небольших ОКС предпочтение будет отдано, видимо, состоянию невесомости (по конструктивным соображениям), тем более что эффект невесомости весьма интересен для выполнения многих физических, химических и биологических экспериментов. Более того, проведение большинства геофизических и астрономических исследований, выполнение задач навигации и управления требуют наличия стабилизированной невращающейся платформы. Что касается экипажа, то ученые теперь не без основания считают, что для натренированного человека пребывание в состоянии невесомости по крайней мере в течение двух — четырех недель не представит большой сложности.

Кабина ОКС без искусственной тяжести будет иметь некоторые особенности. Все предметы в ней должны быть надежно закреплены, а внутренние стенки покрыты мягкой обивкой, чтобы обезопасить «плавание» космонавтов. Расположение в кабине приборов и оборудования, а также их окраска должны способствовать быстрой ориентации оператора, невольно ослабленной невесомостью. Кресла для работы и отдыха должны быть удобными и снабжены привязными ремнями. Для облегчения передвижения и работы внутри кабины и вне ее можно применить слегка намагниченные обувь и перчатки или снабдить космонавтов воздушными реактивными пистолетами.

Крупные ОKС будущего с экипажем в несколько десятков и сотен человек и длительным непрерывным прерыванием на орбите, несомненно, будут иметь искусственную тяжесть. Неподвижные отсеки таких станций, расположенные над осью вращения, могут использоваться в качестве причалов, а также как рабочие помещения — в них будет располагаться оборудование, нуждающееся в постоянной ориентации. Условия для жизни и работы космонавтов на больших станциях будут максимально приближены к обычным условиям земного существования.

 

НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Необходимость обеспечения длительной и надежной работы конструкции ОКС и ее многочисленного оборудования выдвигает перед учеными и инженерами ряд специфических задач, которые до сих пор почти не встречались в инженерной практике. Из этих задач мы рассмотрим лишь некоторые, постановка которых в технической литературе представляется сейчас наиболее интересной.

Нагрузки и демпфирование. С точки зрения строительной механики конструкция выведенной на орбиту ОКС представляет собой изолированную систему, лишенную поддерживающего фундамента и практически свободную от обычного для самолетных конструкций действия гравитационных сил, которые уравновешены центробежными силами, и аэродинамических нагрузок, пренебрежимо малых из-за чрезвычайной разреженности атмосферы.

Все это говорит о том, что конструкции космических аппаратов должны быть принципиально отличными от конструкций обычных летательных аппаратов, предназначенных для полетов в атмосфере. При этом главную роль для конструкции ОКС играют два типа статических нагрузок. Нагрузки первого типа возникают от внутреннего давления — наддува. Наддуву воздухом подвергаются жилые и рабочие отсеки ОКС. Создание таких отсеков достаточного объема требует разработки легких и прочных оболочек, хорошо воспринимающих внутреннего давление, близкое к нормальному атмосферному. Появление нагрузок второго типа — от центробежных сил — возможно тогда, когда всей конструкции или части ее сообщается постоянная скорость собственного вращения для создания искусственной силы тяжести. Максимальная нагрузка при этом будет равна по величине создаваемой силе тяжести.

Динамические нагрузки на конструкцию ОКС будут несравнимо меньшими по величине, нежели нагрузки на атмосферный летательный аппарат.

Тем не менее проблема демпфирования колебаний конструкции ОКС, нуждающейся в точной ориентации и стабилизации, считается очень важной. Между гашением колебаний в обычных строениях и демпфированием в орбитальной конструкции существует принципиальная разница. Большая часть энергии динамических нагрузок, воспринимаемых наземным сооружением при землетрясении или сильных порывах ветра, передается фундаменту и затем рассеивается в грунте, а также идет на возбуждение колебаний окружающих воздушных масс. Вся энергия динамического возбуждения конструкции ОКС, являющейся изолированной механической системой, должна быть поглощена и рассеяна внутри самой конструкции.

Демпфирование должно произойти за счет деформации элементов конструкции или за счет трения при относительном сдвиге деталей соединения (например, заклепочного). Последний тип демпфирования называется скользящим.

Смазка. Смазывание трущихся элементов машин в космосе необходимо не только для уменьшения трения, а следовательно, и энергии, потребной для перемещения и охлаждения движущихся деталей, но и для предотвращения взаимного схватывания (сваривания) трущихся элементов. В условиях космического вакуума это явление может возникнуть из-за отсутствия между трущимися поверхностями обычной в земных условиях тонкой пленки водяного пара в несколько молекул толщиной.

Отсутствие такой пленки в условиях космоса способствует, кроме того, повышенному испарению смазки и сублимации (испарению с твердой поверхности) самих металлов. Это явление представляет известную опасность для механических элементов — шестерен, подшипников, кулачков, а также для электрических контактов реле и переключателей.

Применение обычных нефтяных и жировых смазок для ОКС в условиях низкого вакуума чрезвычайно затруднено. В известном смысле задача обеспечения надежной смазкой в вакууме подобна проблеме смазки при нормальных давлениях, но повышенных температурах. Как нагрев, так и уменьшение давления увеличивают скорость испарения нефтяного масла или жировой смазки, в результате чего увеличивается сила трения в движущихся деталях. При этом температура деталей повышается, что еще больше способствует испарению смазки. Поэтому для смазки наружных агрегатов ОКС должны применяться специальные жиры и масла с низким давлением паров, в частности такие, которые разработаны в настоящее время для вакуумных насосов и высокотемпературных нагруженных деталей.

Трудность при конструировании системы смазки, предназначенной для работы в вакууме, состоит еще и в том, что необходимо учитывать возможность выдувания смазочных материалов из подшипников и других смазываемых деталей в процессе выведения космической станции на орбиту, когда наружное давление быстро уменьшается.

А как будет влиять на смазку деталей и механизмов OKC отсутствие кислорода в космической среде? С одной стороны, это обстоятельство можно считать благоприятным, поскольку в, смазке не будет образовываться вредный отстой вследствие реакции масла или жира с кислородом. С другой стороны, без кислорода на трущихся поверхностях не образуется окисная пленка. Между тем экспериментально установлено, что смазка осуществляется благодаря химической реакции между металлом поверхности и входящими в состав масла жирными кислотами. Эти реакции протекают только при наличии окисной пленки и усиливаются в присутствии кислорода и воды. Невозможность протекания таких реакций в условиях космической среды будет также ухудшать процесс смазки.

Разрабатываемые в настоящее время принципиально новые виды смазок найдут широкое применение на opбитальных станциях. Например, смазочным материалом в вакууме может быть тонкая пленка из мягкого металла (рис. 29), помещенная между двумя трущимися деталями. Сила трения F при этом будет небольшой, так как нагрузка давления будет восприниматься на небольшой площади контакта А и при небольшом касательном напряжении S. В качестве материала для такой смазывающей пленки в особо ответственных сочленениях можно использовать серебро или золото.

Рис. 29. Влияние структуры трущихся деталей на величину силы трения

В качестве вакуумной смазки может быть применен и твердый материал — сернистый молибден, структуру которого такова, что атомы серы допускают проскальзывание разных слоев металла относительно друг другу.

Внедрение смазки твердыми материалами связано с определенными трудностями. Во-первых, коэффициент трения твердых смазок все-таки намного выше, чем жидких. Это приводит к большому выделению тепла, которое к тому же трудно отвести, поскольку нет обычного при жидкой смазке протока масла. Во-вторых, твердые смазки не так живучи, как жидкостные смазочные системы, в которых масло постоянно очищается и обновляется. Тонкие пленки твердой смазки подвержены значительному износу и не способны самовосстанавливаться. Простое утолщение пленки не решает проблемы живучести, так как, чем толще пленка, тем труднее обеспечить надежное ее сцепление с основной поверхностью. Получение хорошего сцепления твердой смазывающей пленки выдвигает особые требования к чистоте обработки поверхности трения.

В некоторых подвижных деталях оборудования ОКС можно будет вообще обойтись без смазки. В состоянии невесомости на опоры не будет действовать нагрузка от веса деталей, поэтому важно лишь обеспечить небольшие усилия трения, а прочностные требования отступают в этом случае на второй план. Это значит, что детали таких агрегатов можно сделать из легких органических материалов, имеющих низкие коэффициенты трения. Некоторые пластики, например тефлон и нейлон, уже используются в качестве материала для самосмазывающихся шестерен и подшипников в самолетостроении. Тефлон, мягкий, но стойкий термопластик, обладает из вcex известных твердых веществ наименьшим коэффициентом трения (0,04). Для повышения сопротивляемости износу детали из тефлона обычно армируют металлическими волокнами, графитом, стеклянным порошком или сернистым молибденом. Применяют его и в качестве смазывающего наполнителя. Пористые металлические поверхности, наполненные тефлоном, имеют такой же коэффициент трения, как и чистый тефлон, и отлично противостоят деформациям и износу. Фрикционные свойства нейлона несколько хуже, чем тефлона, но зато он более тверд и износоустойчив.

Необходимо отметить все же, что использование для смазки узлов конструкции ОКС пластических материалов ограничивается их невысокой антирадиационной стойкостью.