Как пакуют космический багаж

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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