Плата за незнание

Танковая броня рассчитана на пробивную силу орудийных снарядов. Толщина и крепость ее выбираются так, чтобы она противостояла известному или предполагаемому оружию противника. Избыточный вес боевой машине ни к чему.

При проектировании космического аппарата приходится учитывать сразу многие виды поражающего «оружия», к которым относят все неблагоприятные факторы космического полета. Поэтому «броня» его — это не только многослойная обшивка корпуса, противометеоритные экраны и радиационная защита, но и теплозащитное устройство, несущий каркас и даже запасы топлива. Их «крепость» должна быть под стать пробивной силе «оружия»: величине перегрузок, напору воздушного потока и интенсивности аэродинамического нагрева при спуске в атмосфере, скорости и массе метеоритов, проникающей способности космических лучей и многому другому. Все это нужно знать заранее, чтобы обеспечить безопасность полета космического аппарата. Но не обладают конструкторы абсолютным пророческим даром, не могут совершенно точно предвидеть атакующий натиск враждебных стихий. Знание у них сугубо вероятностное.

Взять хотя бы механические нагрузки на аппарат. Еще задолго до полета пытаются их определить с помощью баллистических и аэродинамических расчетов, продувок моделей в аэродинамической трубе, испытаний конструкции на центрифугах и так далее. И надо сказать, что довольно успешно. Но как бы ни были тщательны эти вычисления и эксперименты, приблизительность результатов неизбежна. К тому же всегда возникает вполне обоснованное сомнение: насколько правильно представляют себе испытатели условия предстоящего полета? Все ли учли при его воспроизведении? Так вкрадывается неопределенность в саму постановку задачи: на какие нагрузки готовить конструкцию космического аппарата? От решения этого вопроса зависят ее прочность и вес. Неточное знание исходных данных вынуждает завышать коэффициент безопасности, то есть подстраховываться. Не могут конструкторы полагаться на авось, на благоприятное стечение обстоятельств. Приходится предусматривать запас прочности на случай возможных осложнений.

Например, для несущих топливных баков ракеты, боковые поверхности которых служат стенками корпуса, выбирают сразу два коэффициента безопасности. Для внутреннего давления этот коэффициент берут минимальным — давление в баках выдерживается достаточно хорошо. Каких-либо неприятностей ожидать не приходится, ни к чему поэтому большой запас прочности. А вот для внешних сил принимают по возможности максимальный коэффициент безопасности. Ситуация здесь не столь ясна и сведения не столь достоверны.

Почти каждую деталь конструкции космического корабля проектируют с учетом тех условий, в которых ей предстоит работать. Поэтому надежное прогнозирование всех обстоятельств будущего полета — это еще один рубеж борьбы за вес.

Не всегда ученые задумываются над тем, что, уточняя какой-то десятичный знак в величине межпланетного расстояния, массы или диаметра планеты, они тем самым сбрасывают десятки, сотни, а то и тысячи килограммов веса завтрашних межпланетных кораблей и ракет-носителей. Проводя свои скрупулезные измерения, астрономы невольно включаются в конструкторскую работу. Ведь публикуемые ими таблицы с нескончаемыми колонками многозначных цифр становятся отправным пунктом для проектов космических экспедиций, для выбора варианта полета и типа конструкции.

Описывая движения планет, астрономы используют в качестве единицы длины среднее расстояние от Земли до Солнца, которое так и называют астрономической единицей. Уже много лет назад ученые научились довольно точно рассчитывать в астрономических единицах межпланетные расстояния в любой момент времени. Но сама астрономическая единица была известна с ошибкой 50-70 тысяч километров. Можно ли надеяться на успешное попадание автоматической межпланетной станции в намеченную планету, если местонахождение цели указано с такой высокой погрешностью? Нужны были новые, более точные астрономические данные. Радиолокационные измерения расстояний в Солнечной системе позволили к 1965 году почти в тысячу раз уменьшить ошибку в величине астрономической единицы. А это значит, что резко сократилось число коррекций полета автоматических станций, которые предстояло провести. Конструкторы могли теперь обойтись вполне приемлемыми запасами топлива на борту межпланетных аппаратов. Сейчас значение астрономической единицы известно уже с точностью в несколько километров!

Немалую экономию веса дает также уточнение радиолокационными методами радиусов планет.

Скажем, планируется посадка на поверхность нашего естественного спутника. При подлете к Луне положение космического аппарата отсчитывается от ее центра, принимаемого за центр притяжения. Неточное знание величины радиуса Луны — расстояния от ее центра до точки посадки — оборачивается избыточной мощностью двигателя мягкой посадки, проектируемого на наихудший вариант. Космический аппарат обременяют запасами топлива, которые ему могут не понадобиться.

Даже неопределенность размеров бугров, камней и впадин на посадочной площадке может ввести конструкторов в излишний весовой расход. Чтобы не опрокинулись посадочные отсеки автоматических станций, исследующих другие планеты, к ним приделывают длинные ноги. А как выбрать их длину, если на эту посадочную площадку не ступала еще ничья нога? Характерная особенность сегодняшних межпланетных полетов в том и состоит, что аппараты направляются в такие места, где никто не бывал. Вероятность же успеха, вероятность выполнения поставленной задачи нужна очень высокая: для пилотируемого космического корабля — не ниже 95 процентов. Степень безопасности экипажа, вероятность того, что даже при неблагоприятных обстоятельствах космонавты в целости и сохранности вернутся на Землю, еще выше — 99,9 процента. Эти цифры не говорят о степени действительного риска. Они лишь свидетельствуют о крайней предусмотрительности конструкторов, которые после тщательного анализа всех известных или предполагаемых ситуаций планируют высокую надежность своего изделия, то есть не скупятся на значительные резервы. Сократить эту заранее планируемую избыточность можно, лишь уточнив условия предстоящего полета.

Еще 15 лет назад специалисты подсчитали, что более надежные данные об атмосфере Марса позволят облегчить конструкцию и систему торможения межпланетного корабля, за счет чего втрое увеличится вес его научной аппаратуры. За незнание приходится расплачиваться весом полезного груза, а в конечном итоге — эффективностью космической экспедиции. Вот почему отправляются к другим планетам автоматические зонды-разведчики. Передаваемая ими на Землю научная информация представляет для конструктора непосредственно практическую ценность.

Когда советские конструкторы разрабатывали первые автоматические станции для исследования Венеры, они лишь приблизительно представляли себе условия на этой планете. По одним гипотезам атмосферное давление на ее поверхности мало отличалось от земного, по другим — оно было в сто раз выше. Диапазон предполагаемых температур тоже был довольно широк — от 50 до 500 градусов. Но рассчитывать космический аппарат сразу для самого худшего варианта, достоверность которого ничем еще не подтверждена, заведомо невыгодно. Мощная «броня» станции поглотит большую часть веса, а научное оснащение будет совсем недостаточным. В результате весьма скудной окажется информация об условиях, царящих в венерианской атмосфере. Поэтому первые аппараты делались не очень прочными. Тем не менее они успевали передать ценнейшие сведения.

«Венера-4» не дошла до поверхности планеты немногим более 20 километров. Аппарат был рассчитан на давление в несколько атмосфер и разрушился при 20 атмосферах. Зато полная неопределенность уступила место данным, заслуживающим доверия. На основе информации, сообщенной «Венерой-4» и «Венерой-5», спускаемые аппараты следующих автоматических станций рассчитывались уже на давление 100 атмосфер и температуру 500 градусов. И вот в декабре 1970 года посадочный отсек «Венеры-7» опустился на раскаленную поверхность планеты. Проведенные им измерения позволили, в свою очередь, уменьшить прочность спускаемого аппарата следующей станции «Венера-8». Сэкономив в весе конструкции, ее создатели установили на аппарате дополнительные научные приборы.

Было бы несправедливо пенять лишь на неизвестность условий космического полета. Сам аппарат для конструкторов тоже в какой-то степени загадка. Да, они его задумали, спроектировали, рассчитали и вычертили. А вот что вышло из заводских цехов — этого они с полной определенностью не знают. Не бывает и не может быть абсолютно точного исполнения. На этот счет конструкторы не обольщаются. У любого изделия всегда будут отклонения от изображенного на бумаге прототипа. С этой точки зрения спроектированный конструкторами космический аппарат — всего лишь идеал, который никогда не удастся реализовать. Воплощенная в металле конструкция будет несколько иной по весу, по форме, по размерам, по прочности и по многим другим характеристикам. Вопрос в том, насколько задуманное отличается от изготовленного? При правильно организованном производстве расхождения эти невелики, в пределах допустимого. Но не считаться с ними нельзя.

Что-то слишком много непредвиденного и непредсказуемого собралось в космическом проекте. Не потому ли конструирование считают своего рода искусством? Англичане говорят, что инженер — это человек, который при недостаточных данных правильно решает вопрос в семи случаях из десяти. Можно спорить о проценте удачных решений, но несомненно одно: конструктор должен уметь силою своего воображения справляться не только с известными ему препятствиями, но и с еще неведомыми.

Хорошо бы найти такое универсальное средство, которое позволит разделаться со многими неопределенностями сразу! Конструкторы нашли. На борту космического аппарата создают резервный запас топлива. Если вдруг аппарат не достигнет запланированной скорости или уйдет с намеченной орбиты, резервное топливо поможет выправить его полет. Всякие случайные промахи, сбои в работе двигателей, непредугаданные внешние возмущения и другие неблагоприятные события тоже компенсируются с помощью этого резерва. А как же быть с недочетами производственников, с неточно выполненным конструкторским заказом? И это поправимо, если есть избыток топлива сверх рассчетной нормы. Скажем, тяга двигателя чуть-чуть не совпадает с заданной величиной, аэродинамические характеристики конструкции немного отличаются от задуманных проектировщиками. Что ж, включив дополнительно бортовой двигатель нужное число раз, можно справиться с теми искажениями, которые вносят в режим полета погрешности изготовления. Не страшны даже ошибки приборов в системе управления, если можно провести внеплановую коррекцию. Но плата за столь высокую надежность все та же — добавочный вес космического аппарата.