Спутник-хамелеон

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Химики идут навстречу этому желанию конструкторов. Уже сейчас они готовы предложить на выбор несколько десятков веществ для окраски спутника-хамелеона. Некоторые полимерные соединения при нагревании меняют свой цвет с черного на белый как раз в нужном диапазоне температур. Как только спутник, покрытый снаружи таким веществом, начнет перегреваться, он сам собою побледнеет, «облачаясь» в белый защитный цвет. Сразу же уменьшится поглощение солнечных лучей и температура его упадет. Но ниже нормы она не понизится. Цвет охлажденного аппарата снова станет черным. Теперь его поверхность примется усиленно поглощать солнечные лучи, и он вновь нагреется. То темнея, то светлея, спутник будет автоматически поддерживать во внутренних отсеках запланированный тепловой режим.

У некоторых теплочувствительных веществ изменение температуры всего лишь на два градуса вызывает черно-белый переход. Конечно, терморегулирующие покрытия не сравнить, например, с терморегулирующей системой человеческого организма. У здоровых людей температура тела выдерживается с точностью до десятых долей градуса. Но если учесть простоту и легковесность цветоменяющих устройств, то трудно пока придумать что-либо более подходящее. К тому же на современных пилотируемых космических кораблях температура регулируется с точностью плюс-минус три градуса, а на автоматических станциях и аппаратах — в пределах плюс-минус пять градусов около заданного значения.

Быть может, не совсем правильно сравнивать перекрашивающийся в полете спутник с хамелеоном. Ведь хамелеон, меняя свой цвет, руководствуется вовсе не соображениями теплозащиты. А вот аризонская ящерица именно с помощью окраски регулирует температуру своего тела. Зимой она черная, а жарким летом ее кожа принимает светло-зеленый оттенок и хорошо отражает солнечные лучи.

Мы привыкли к тому, что окраска какого-нибудь изделия становится последней, завершающей стадией работы над ним. Для космического аппарата это не так. Цвет его поверхности выбирается и опробывается одновременно с разработкой и отладкой всех систем. Да и не может быть иначе: все в космическом аппарате взаимосвязано, все тесно переплетено, ибо все части и элементы — слагаемые его общего веса. Но, придерживаясь традиционной, привычной последовательности производственных операций, закончим и мы наш разговор о космической технике главой, посвященной окраске.

Подошла к концу наша книга, но проблему веса космических конструкций мы так и не исчерпали. Слишком она многогранна и необъятна. Борьба за вес продолжается даже после того, как космический аппарат сконструирован и изготовлен. Уже в цехе, на готовом изделии, добиваются той весовой экономии, которой не сумел или не успел добиться конструктор в своих чертежах.

Один из создателей советских автоматических станций «Венера», рассказывая о заключительном этапе работ, приводит текст приказа, который был вывешен в конструкторском бюро: «В целях привлечения изобретателей и рационализаторов к решению первоочередной задачи — уменьшению веса конструкции при сохранении надежности, качества и технологичности — приказываю: 1. Объявить конкурс по снижению веса изделия...» На станции дотошно просматривался каждый кронштейн, каждый болт, каждый кабель и жгут. «Можно срезать пару ниток болта — срезали, можно хоть на несколько сантиметров укоротить жгут — укорачивали...» За каждый сэкономленный грамм выплачивалась немалая премия.

Всякий раз, когда подходит к концу длительный и трудоемкий процесс создания космического аппарата, начинается настоящая охота за неизъятыми еще, лишними граммами. Американская фирма, разрабатывавшая лунную кабину «Аполлона», после того как из конструкции, казалось, было выжато уже все возможное, обещала платить по 10 000 долларов за фунт сброшенного веса. Такая экономия на мелочах приводит в целом, по всему аппарату, к весьма ощутимым результатам. В космических конструкциях не перечесть различных мелочей. Сберегая на каждой из них граммы, освобождают аппарат от многих килограммов избыточного веса.

Не смея пренебрегать никакой малостью, конструкторы все же надеются на большее. Надеются на то, что однажды им выпадет крупный выигрыш: одна из предложенных необычностей поможет, наконец, справиться с проблемой веса. Поэтому не ослабевает их тяга к необычному. Про космического конструктора можно сказать словами древнегреческого философа Гераклита: «Если он не ожидает неожиданного, то не найдет сокровенного».

Но откуда и когда оно придет — это неожиданное? Никто не знает. Вспоминается один научно-фантастический рассказ. В нем повествуется об инопланетянине, оказавшемся на Земле в результате катастрофы, постигшей его корабль. Никому и в голову не приходит, кто он на самом деле. Все считают его недалеким чудаком, роющимся целыми днями на свалке среди различного хлама и металлолома. И вот однажды на глазах изумленных очевидцев со свалки взмывает в небо невиданный летательный аппарат, сооруженный умелыми руками инопланетянина.

Не взлетит ли когда-нибудь с грандиозной «свалки» отвергнутых проектов диковинный космический аппарат, сотворенный из отходов сегодняшней конструкторской мысли? Прогресс космической техники столь стремителен, что ученые затрудняются делать мало-мальски определенные прогнозы хотя бы на несколько десятилетий вперед. В начале нашего века Константин Эдуардович Циолковский дал первую научно обоснованную идею космической ракеты. Многие современники воспринимали его как неисправимого чудака и фантазера-мечтателя. А ныне фантазии этого «чудака» воплощаются в космические конструкции. Но и этот человек, творческая мысль которого вырвалась далеко вперед, не смог предугадать стремительного темпа развития ракетной техники. Ему казалось, что покинуть земные пределы удастся не раньше, чем через несколько сотен лет. Действительность опередила даже его дерзновенную мечту. «Все идет неизвестными путями и к неизвестным, но, вероятно, величественным результатам, — писал тогда К. Э. Циолковский. — И мы с вами участники этого движения».

От автора

КОНСТРУКТОР И ВЕСЫ

Глава I

ИДЕИ СТАРТА ИЛИ СТАРТ ИДЕИ

Глава II

КТО В КОСМИЧЕСКОЙ УПРЯЖКЕ?

Глава III

НА КОСМИЧЕСКИХ ПЕРЕКРЕСТКАХ

Глава IV

ЗАБОТЫ КОСМИЧЕСКОГО АРХИТЕКТОРА

Глава V

СКАЗОЧНЫЕ ДВОРЦЫ НА ОРБИТАХ

Заключение

ДЛЯ СРЕДНЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА Анатолий Сергеевич Шибанов ЗАБОТЫ КОСМИЧЕСКОГО АРХИТЕКТОРА ИБ № 3107 Ответственный редактор В. А. Анкудинов Художественный редактор Л. Д. Бирюков Технический редактор В. К. Егорова Корректоры Г. В. Русакова и Н. Г. Худякова

Сдано в набор 14.04.81. Подписано к печати 08.02.82. Формат 70х 100/16. Бум. офсетная № 1. Шрифт литературный. Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,7. Усл. кр.-отт. 25,35. Уч.-изд. л. 9,74. А 03536. Тираж 100 000 экз. Заказ № 1016. Цена 55 коп. Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Детская литература» Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, Центр, М. Черкасский пер., 1. Калининский ордена Трудового Красного Знамени полиграфкомбинат детской литературы им. 50-летия СССР Росглавполиграфпрома Госкомиздата РСФСР. Калинин, проспект 50-летия Октября, 46. Научный консультант — кандидат технических наук Б. А. Рабинович

Шибанов А. С. Ш55 Заботы космического архитектора: Научно-худож. лит-ра/Рис. А. Белова. — М.: Дет. лит., 1982. — 142 с, ил.

В пер.: 55 к.

Наряду с показом общих тенденций развития современной космонавтики, автор, кандидат физико-математических наук, рассказывает о некоторых малоизвестных, необычных проектах, связанных с запуском космических ракет, с принципами действия космических двигателей, маршрутами перемещения космических кораблей, материалами, конструкциями и формами межпланетных станций.

ББК 39.6 6Т6

назад