Сломать и выбросить, чтобы сохранить

Любая неожиданность в космическом полете неприятна. Но наиболее опасна она в моменты, когда ресурсы космического корабля уже на исходе. В первую очередь это относится к сложной и ответственной операции приземления.

Спускаемый аппарат космического корабля вторгается в атмосферу с огромной скоростью — несколько километров в секунду. Чтобы полностью погасить эту скорость с помощью тормозного ракетного двигателя, потребовались бы запасы топлива, в десятки раз тяжелее самого аппарата. Поэтому все надежды возлагают на силу сопротивления воздушных слоев. Если форма спускаемого аппарата выбрана правильно, то скорость его падает в плотных слоях атмосферы до 100— 150 метров в секунду. Но все же это еще очень большая скорость, а для мягкой посадки она не должна превышать 3-4 метров в секунду. Приходится на высоте 8-10 километров вводить в действие новое средство торможения — парашют.

А если парашют отказал? Ведь такой случай не исключен, а на каждый предугадываемый случай что-то должно быть предусмотрено. Для подобной аварийной ситуации припасен резервный парашют. Конечно, это дополнительный вес, зато повышается надежность посадки. Ведь речь идет о космонавтах!

Парашют уменьшает скорость спуска, но все еще не до безопасной величины. Примерно в метре от поверхности земли включается ракетный двигатель, гасящий остаток скорости.

Ну, а если не сработает двигатель? Конструкторы не стесняются задавать самим себе такие вопросы. Уж лучше найти на них ответ заранее. Ответ, к сожалению, неутешительный: удар получится очень сильным и перегрузки достигнут опасной величины. Как если бы спускаемый аппарат без всяких предохранительных мер сбросили с многоэтажного здания.

Вспоминается удивительный случай, рассказанный много лет назад парижскими газетами. Какой-то неудачник свалился с Эйфелевой башни... но остался жив. Отделался сравнительно легко, потому что упал на крышу автомобиля, проломил ее и рухнул на мягкое сиденье. Энергию падения он израсходовал на разрушение крыши, а сиденье смягчило удар. Специалисты по посадочным устройствам космического корабля, хоть и не падали сами с Эйфелевой башни и, наверное, даже не слышали о таком случае, все же догадались, как им поступить.

Вот по каким-то причинам не сработал у земли ракетный двигатель. Считанные мгновения остаются до сильнейшего удара о грунт. Нужно как-то укротить еще достаточно большую энергию падения. «Незачем укрощать, — решили конструкторы, — пусть себе разрушает». И подставили под удар вместо корпуса спускаемого аппарата своего рода «автомобиль». Слепая разрушительная сила, не замечая подмены, обрушивается на подставное устройство — ломает, рвет, сминает и... обессиливает, утрачивает свою мощь. Конструкторам же только этого и надо. Они добились своего — направили энергию удара по другому пути, принеся в жертву специально разработанное ими приспособление.

Так появилась в космическом корабле довольно своеобразная конструкция, ничем не похожая на другие. Единственное ее назначение — сломаться при сильном ударе и тем самым спасти спускаемый аппарат и космонавтов. Идея, в общем, далеко не новая. Таких «жертвенных» устройств немало можно встретить в технике. Взять хотя бы плавкие предохранители, «ценою своей жизни» спасающие электрические приборы. Главное — это найти подходящий «автомобиль», который можно было бы использовать как посадочное устройство. Совсем не все равно, что и как ломать. Энергоемкость различных процессов разрушения не одинакова. А ведь нужно не только поглощать энергию удара, но и амортизировать, то есть сочетать крышу подставного «автомобиля» с сиденьем.

И специалисты по посадочным устройствам занялись предосудительной на первый взгляд деятельностью. Ломают все, что только под руку подвернется. Ломают со знанием дела и с великим тщанием, не забывая замерить механические характеристики процесса разрушения. Сминают изделия из металлической фольги, прессуют ударом всякие пеноматериалы, с силою бьют по кускам бальзового дерева. Все время пополняется список намечаемых ими «жертв».

Те, кому приходилось накачивать велосипедные камеры, знают, что сжимаемый поршнем насоса воздух оказывает противодействие нашим усилиям. Силу его сопротивления можно противопоставить силе удара спускаемого аппарата о грунт. Тогда цилиндр с поршнем, под которым сдавливается воздух, станет пневматическим амортизатором. Ничего в нем не ломается и не разрушается. Но если заменить воздух в цилиндре сотовым заполнителем из металлической фольги, то при движении поршня сдавливаемые соты будут сжиматься и разрушаться, поглощая энергию. Такие устройства установлены под креслами космонавтов на американском космическом корабле «Аполлон». Устройства надежны, практичны, весят совсем немного. Правда, сломанное однажды повторно уже не сломаешь. Поэтому посадочные амортизаторы космических кораблей рассчитаны лишь на одну посадку.

Амортизацией кресел космонавтов дело не ограничивается — предохраняется и корпус спускаемого аппарата. Например, посадочный отсек корабля «Аполлон» был облеплен снизу металлическими сотами. А первый американский космический корабль «Меркурий» садился на специальную надувную подушку, прикрепленную к его днищу. И это несмотря на то, что кресло космонавта в нем покоилось на металлических сотах, разрушавшихся при ударе о землю. Так моделируют конструкторы спасительное сочетание сиденья и крыши «автомобиля».

Пневматическую амортизацию предусмотрели на некоторых советских автоматических станциях «Луна», совершавших мягкую посадку на поверхность нашего естественного спутника. За несколько десятков секунд до соприкосновения с лунным грунтом амортизационная система, кольцом окружавшая станцию, надувалась газом под давлением. Аппарат оказывался зажатым, спрятанным в надувной оболочке. Словно обложенный со всех сторон мягкими подушками, он уже не боялся столкновения с лунной твердью.

Советский космический корабль «Союз»: 1 — орбитальный отсек с антеннами (а), телекамерами (б), оптическими устройствами и датчиками научных приборов; 2 — спускаемый аппарат; 3 — приборно-агрегатный отсек с двигателями причаливания и ориентации (а), сближающе-корректирующим двигателем (б) и панелями солнечных батарей (в).

Лишь в самые последние мгновения космического полета срабатывает амортизационное посадочное устройство, когда толчок о поверхность планеты возвещает конец долгого пути сквозь внеземные пространства. А до этого момента «жертвенная» конструкция покоится на корабле никчемным грузом, отягощая его и занимая место. Но приходится мириться с таким балластом. Никто не знает заранее, что ждет спускаемый аппарат на самом финише, с какой скоростью упадет он на грунт. Незнание снова оборачивается добавочным весом, да еще таким, от которого никак не избавишься.

Между тем в космическом полете неукоснительно следуют правилу: не медля, расставаться со всем, что больше не понадобится. Это — еще одна заповедь, которой руководствуется космический конструктор, обдумывая облик пилотируемого корабля и распределяя в нем оборудование и приборы. Родилась она, как и другие заповеди, в непосредственной борьбе за снижение веса.

Казалось бы, раз уж попал какой-то груз на орбиту, то не имеет значения, когда космический аппарат от него освободится — сразу или какое-то время спустя. Ракета-носитель в полной мере испытала его тяжесть и израсходовала все топливо, предназначенное для запуска. Назад ничего не вернешь и ничего уже не сэкономишь. Беспокоиться же о весе на орбите не имеет смысла — в невесомости такого понятия просто не существует. Так почему конструкторы неумолимы в своем требовании: все лишнее — за борт?

Амортизационные посадочные устройства спускаемых аппаратов американских космических кораблей «Аполлон» и «Меркурий»: 1 — цилиндры с поршнями и сотовым заполнителем, на которые опираются кресла космонавтов; 2 — алюминиевые соты на днище спускаемого аппарата; 3 — металлические соты под креслом космонавта; 4 — надувной баллон из стеклоткани под днищем спускаемого аппарата.

Ни для кого не секрет, что управлять пустым автомобилем куда легче, чем нагруженным. И бензина при этом сгорает меньше. Разгружаясь и становясь более подвижным, космический корабль тоже сокращает расход топлива на различные маневры, без которых никак не обойтись. Поэтому космонавты не упускают возможности отправить за борт отработавшее оборудование, отстыковать от корабля какую-то его часть, ставшую ненужной. Делают они это по плану, составленному заранее, еще на Земле. Там уже подсчитали, насколько можно недогрузить корабль топливом за счет своевременной его очистки на орбите, и не преминули этим воспользоваться. А поскольку на каждый килограмм веса космического корабля — будь это топливо или конструкция, все равно — приходятся многие килограммы горючего и окислителя в ракете-носителе, то получили немалую весовую экономию.

Спуск космического корабля «Союз»: 1 — включив тормозной двигатель, корабль покидает орбиту; 2 — отделившийся от орбитального и приборно-агрегатного отсеков спускаемый аппарат движется в атмосфере, тормозясь за счет сопротивления воздушных слоев; 3 — на небольшой высоте, после того как аппарат затормозится парашютной системой, включается двигатель мягкой посадки, гасящий оставшуюся скорость.

Хоть и невесомы предметы в тот момент, когда от них избавляются на орбите, выигрыш они дают весьма полноценный. Особенно если это предшествует конечному этапу полета — приземлению. Ведь предстоит самый большой и трудоемкий маневр: нужно погасить до нуля громадную космическую скорость. Тут уж мелочами не обойдешься — стараются отделаться от всего, что только позволяет планировка корабля. Конструкторы стыкуют его отсеки таким образом, чтобы перед спуском в атмосфере он мог отбросить всю ненужную конструкцию.

В советском космическом корабле «Союз» спускаемым аппаратом становится кабина экипажа. Прежде чем устремиться вниз, она отсоединяется от двух других отсеков — орбитального и приборно-агрегатного. От почти семитонного корабля остаются 2,8 тонны. Зато резко сокращается потребность тормозного двигателя в топливе и уменьшается тормозной парашют. Выигрыш в весе получается немалый. И не только за счет устройств торможения.

Кабину экипажа начиняют лишь самым необходимым оборудованием. Двигатели причаливания, коррекции и ориентации, топливные баки для них, панели солнечных батарей, аппаратуру и приборы, работающие до этапа посадки и не нужные на участке спуска, — все это и многое другое размещают в двух отбрасываемых отсеках. Вот тут-то и выявился еще один весовой резерв. Поскольку приборы не очень чувствительны к космическому излучению, то ни к чему им тяжелая радиационная защита. Ее можно оставить на кабине экипажа, не более. Мало того, отсеки, не участвующие в спуске, не нуждаются в специальной тепловой защите от аэродинамического нагрева. Достаточно предусмотреть ее на спускаемом аппарате, то есть опять-таки на кабине экипажа. «Броня» космического корабля значительно полегчала.

Если мы сопоставим полную массу ракетно-космической системы, которая стартует с Земли, с массой аппарата, возвращающегося обратно, то получим отношение примерно сто к одному. По-разному можно воспринимать эту впечатляющую пропорцию. Не исключено, что кто-нибудь посетует, как много, мол, приходится терять и расходовать на протяжении всего пути — от запуска и до посадки. Но справедливее было бы отдать должное предусмотрительности космического конструктора, в утилитарном хозяйстве которого не бывает зряшных потерь или неоправданных расходов. Ведь, как мы убедились, расстаться вовремя с ненужным — это тоже приобретение.

о пробуем мысленно препарировать космическую ракету, пользуясь теми сведениями, которые мы почерпнули из предыдущих глав. Не нужно большого воображения, чтобы представить себе ракету распавшейся на отдельные ступени. Каждая ступень, в свою очередь, состоит из двигателя, баков для горючего и окислителя, обслуживающего их оборудования и переходных частей, скрепляющих эту ступень с соседними. Продолжим членение ракеты, вонзая свой «скальпель» в отдельные элементы ступеней...

Но тут самое время нам остановиться. Мы находимся на краю владений конструктора. Дальше простирается зона двоевластия. Конструктор не может и не вправе единогласно решать, какой должна быть структура более мелких частей ракеты, ибо она в значительной мере зависит от способов их изготовления. Не хватает еще одного участника этого показательного эксперимента — технолога. Где предел дробления ракеты? Эта проблема лежит на смежной территории между конструкторским бюро и заводским цехом. Именно вопрос о тех неделимых «атомах», из которых складывается космическая конструкция, стал точкой соприкосновения конструктора и технолога. Он же — причина их самых серьезных разногласий. У каждого на этот счет свои взгляды и соображения.

Опыт показывает, что любая сложная конструкция, состоящая из отдельных частей, тем легче, чем меньше число этих частей. Всякого рода разъемы и соединения понижают прочность конструкции. Чтобы компенсировать их ослабляющее действие, приходится утолщать некоторые элементы или же ставить укрепляющие детали и подпорки. Такое утяжеление никак не устраивает конструктора. Стремясь уменьшить вес своего изделия, он кроит ракету на куски покрупнее, сокращает до минимума число разъемов, стыков и соединений. В идеале видятся ему целиковые монолитные части ракеты, в которых слились воедино все более мелкие детали.

Но слышатся возражения со стороны технолога. Совсем непросто изготовить монолитную деталь. Хоть и легче она, чем клепано-сборная, но значительно дороже. Оправдает ли весовой выигрыш усложнение и удорожание технологии? Не лучше ли перекроить ракетные ступени заново, да помельче? Конструктор продолжает настаивать на том, что ракета должна быть сделана из крупногабаритных панелей и листов. И надо сказать, что в современной авиационной и космической технике идут навстречу этому требованию. По мере возможности клепано-сборные изделия заменяют монолитными.

Не будем обвинять конструктора в профессиональном эгоизме. Он, конечно, понимает, что при прочих равных условиях целесообразнее та конструкция, изготовление которой требует наименьших затрат труда и материалов, минимальных расходов на оборудование. Поэтому, прикидывая форму и размеры какой-либо части ракеты, конструктор старается вообразить себе, как ее будут строгать, фрезеровать, сверлить, полировать и собирать. «Конструктору надо мыслить технологическими процессами», — говорил генеральный конструктор по авиационной технике О. К. Антонов. Но к сожалению, такова уж особенность космической техники: отношения между различными специалистами здесь чаще всего конфликтные.

Клепано-сборные рама (а) и панель (б); монолитные рама (в) и панель (г), изготовленные горячей штамповкой или фрезерованием.

Стремление космического конструктора всемерно облегчать свое изделие идет вразрез с намерениями технолога, который хотел бы упростить и удешевить производство. Снижать вес конструкции — значит, изыскивать в ней и удалять как можно больше излишней массы. Чем успешнее это делается, тем меньше весит готовое изделие. Приходится очень тщательно обрабатывать все элементы конструкции, снимать с них тончайшие слои металла, вырезать ненужный материал из толщи, из таких мест, куда не подступишься с резцом или фрезой. Одним словом, затрачивается много труда и средств на изготовление даже простых деталей. Где уж тут упрощать и удешевлять технологию? Когда технологи имеют дело с ракетой или космическим аппаратом, им нечем поступиться, негде ослабить свои усилия. Суровый конструкторский заказ не оставляет для этого никаких шансов. И все же производственники не отказались от своих стремлений. Нашли они способ, как совместить собственные интересы с противоречащими им требованиями конструкторских бюро. Подсказали его... сами конструкторы.

С каждым новым космическим аппаратом растет число удачных конструкторских решений, накапливается опыт конструкторов. Со временем они начинают уже заимствовать кое-что у самих себя. В прошлых своих творениях находят конструкторы полезные примеры для подражания: в разных аппаратах устанавливают порой одни и те же узлы и блоки, хорошо зарекомендовавшие себя при прежних запусках. А там, где конструктор копирует свои былые решения, технолог тоже может идти по своим следам. Раз что-то уже изготовлялось им раньше, значит, подходит отлаженная уже оснастка, годятся отработанные уже процессы. И вот космические аппараты становятся похожими друг на друга не только конструктивно, но и технологически. Их можно тиражировать.

Помните, как резко отличались друг от друга первые спутники? Их легко узнавали на рисунках и фотографиях — настолько они были индивидуальны. Но хорошо известно, что изделия, изготавливаемые каждый раз по индивидуальному заказу, обходятся слишком дорого. Поэтому, когда появилась возможность тиражировать что-то наиболее удачное и целесообразное в космической конструкции, технологи не преминули воспользоваться ею. Это позволяло им перейти от единичного производства космических аппаратов к более дешевому полусерийному и даже к серийному.

В первую очередь решили добиться единообразия обслуживающих систем. Ведь в каждой космической конструкции найдутся отдельные элементы и целые узлы, повторяющиеся во многих других конструкциях: пиропатроны, соединительные и крепежные детали, замки, трубопроводы, клапаны и так далее. Их можно сделать стандартными, одинаковыми для всех ракет и аппаратов.

Такими же стандартными могут быть некоторые научные приборы и измерительные устройства. Конструкторы разработали единый малогабаритный комплекс служебных систем и приборов для исследовательских спутников самого различного назначения. Так началась общая унификация спутников, охватившая их систему управления бортовой аппаратурой, приемо-передающие устройства, систему энергопитания, конструкцию и даже оболочку. Спутник был поставлен на поток. Сейчас мы хорошо знаем эти советские спутники серии «Космос», число которых давно уже перевалило за тысячу.

Неплохо бы унифицировать и материалы, из которых изготавливают космические аппараты. Вопрос о выборе материалов стал еще одной точкой соприкосновения конструктора и технолога.

Рассказывают, что однажды знаменитого американского изобретателя Эдисона спросили о том, как он подбирает себе сотрудников. «Я их предварительно экзаменую, — ответил Эдисон. — Они должны знать, например, удельный вес тория. Назвать химический состав стали определенной марки. Уметь ответить на многие другие вопросы». Если бы Эдисону пришлось иметь дело с космическим конструктором и технологом, то можно не сомневаться, что он остался бы доволен такими помощниками. Ведь они демонстрируют в своей деятельности доскональное знание свойств материалов, и самых распространенных и чрезвычайно редких. Необычайное разнообразие условий, в которых работает космическая конструкция, — глубокий вакуум и высокое давление сжатых газов в баллонах, нагрев до многих тысяч градусов при вхождении в атмосферу и низкая температура в баках с жидким кислородом, всепроникающая космическая радиация и потоки метеоритов, — вынуждает конструкторов к несравнимо более широкому охвату материалов, чем это было необходимо изобретателю времен Эдисона.

Унифицированные советские спутники серии «Космос»: 1 — спутник с молекулярным генератором на борту и с солнечными батареями; 2 — спутник, предназначенный для изучения потоков частиц в околоземном пространстве; 3 — спутник для изучения ионосферы; 4 — спутник для изучения физико-химических параметров верхней атмосферы; 5 — спутник с системой ориентации на Солнце.

Ученые насчитывают сейчас около 2,5 миллиона органических и неорганических соединений и почти 1,5 миллиона различных материалов. Ежегодно поступают сведения о тысячах новых веществ, рождающихся в лабораториях всего мира. Обращаясь к этому необозримому перечню, конструктор должен ясно представлять себе, как тот или иной материал поведет себя в космосе. Иначе не избежать неприятных сюрпризов. Один из создателей советских автоматических станций «Венера» рассказывал, что после испытаний спускаемого аппарата в камере, воспроизводящей венерианскую атмосферу, исчез важный научный прибор. Как будто его и не было! Причину нашли не сразу. Оказалось, что сочетание некоторых материалов в среде, подобной венерианской, дало столь поразительный эффект.

Химическую совместимость материалов с другими веществами, их коррозионную стойкость, степень сложности обработки, пластичность и отражательную способность — все это и еще многое другое берут на заметку конструктор и технолог. Но в первую очередь их интересуют удельный вес и прочность различных металлов и неметаллов. От этих характеристик зависит вес создаваемой ракеты. Ведь чем меньше материала в ее конструкции, тем она легче. В то же время прочность и жесткость массивной конструкции выше. Значит, материал должен весить как можно меньше и быть как можно прочнее. Далеко не новая проблема. Самолетостроители давно уже заняты подбором таких материалов. У них-то и позаимствовали ракетостроители большую часть металлов и сплавов.

На долю алюминия — первого «летающего металла» — приходится порой до пятидесяти процентов веса конструкции ракеты. Из алюминиевых сплавов сделаны корпуса кабины экипажа и приборно-агрегатного отсека советского космического корабля «Союз». Широкое распространение получили также магниевые сплавы, из которых изготавливают обшивку корпусов, топливные баки, баллоны для сжатого газа, стабилизаторы и другие части ракет. Нашлось им применение и в конструкциях космических аппаратов. Так, например, орбитальный отсек корабля «Союз» сделан из магниевых сплавов. Каркас девятикилограммовых американских спутников «Авангард» сооружен из магниевых труб. А в спутнике «Дискаверер» использовано почти 270 килограммов магниевых сплавов, составляющих свыше трети его веса.

Но основным космическим материалом следует, видимо, считать титан. Хоть он и тяжелее алюминия на 60 процентов, зато превосходит его по прочности в шесть раз и в два с лишним раза более тугоплавок. Поразительна его высокая химическая стойкость — не хуже, чем у нержавеющей стали. Для технологов главное то, что титан хорошо поддается любой обработке: его можно резать, сваривать, деформировать под давлением, отливать в формы. Конструкторы же отмечают другое немаловажное качество этого металла: он в 15 раз хуже проводит тепло, чем алюминий.

Еще более привлекательными свойствами обладают сплавы титана. Изделия из них при том же весе, что и титановые, в два — четыре раза прочнее. Сплавы идут на изготовление корпусов и ракетных двигателей, баллонов для сжатых и сжиженных газов. Поистине незаменим титан для космических конструкций. Недаром им облицован установленный в Москве грандиозный монумент в честь освоения космоса.

Наивысшую прочность при малом весе показывают детали из бериллия. Только редкость и высокая стоимость этого наилегчайшего из конструктивных металлов препятствуют более широкому распространению его в космической технике. Самые редкие и дорогие и самые обычные и дешевые — таков диапазон материалов для космических конструкций.