Рожденные для полета

Многотонные махины космических аппаратов, которые человек научился забрасывать на орбиту, сегодня, на исходе полувека освоения Вселенной, вызывают у специалистов не только гордость, но и… головную боль. Ведь преодоление земного притяжения по-прежнему остается очень дорогим удовольствием, и чем тяжелее спутник, тем больше проблем с его окупаемостью. Но если космический аппарат не несет экипажа, то что во времена расцвета микроэлектроники мешает сделать его компактным – размером, например, с апельсин? Оказывается, одним из самых серьезных барьеров на пути миниатюризации спутников стали трение и износ в их механических устройствах. Не будь этой и других проблем, космос давно бы уже обильно засеяли не только «апельсинами», но и «грецкими орехами», а то и плодами поменьше. Трение и износ остаются серьезными проблемами и для крупных аппаратов, поскольку требования к их долговечности и надежности возрастают по мере разработки планов длительных межпланетных экспедиций. Вот почему большое значение придается российско-белорусско-украинскому эксперименту «Материал-Трение», который будет поставлен на борту международной космической станции. Рассказать о реализации научного замысла обозреватель «Р» попросил координатора исследований по программе эксперимента от белорусской стороны директора Института механики металлополимерных систем Национальной академии наук Беларуси члена-корреспондента НАНБ Николая Мышкина. — Николай Константинович, для начала все же раскройте суть проблемы, стоящей перед создателями космической техники. — Дело в том, что каждый космический аппарат имеет большое количество узлов трения, благодаря которым работают системы ориентации, связи и энергоснабжения, приводятся в движение механические части научной аппаратуры. В условиях глубокого вакуума, жесткого космического излучения и периодических резких колебаний температуры металл лишается защитной окисной пленки, и трущиеся детали свариваются. Но если в обычных космических аппаратах проблемы трения и износа решать уже научились за счет выбора конструкций и применения твердых смазок, то узлы трения перспективных механических микросистем оказываются беззащитными перед космосом. Кроме того, и в обычных аппаратах при переходе к длительным полетам долговечность применяемых материалов в узлах трения должна быть повышена до 15 лет и более. — Что в таком случае можно предпринять? — Предложить сверхтонкие защитные покрытия нового поколения, например, на основе оксидной керамики с зернами нанометрового масштаба, модифицировать поверхностные слои конструкционных материалов высокоэнергетическими пучками и так далее, а для испытания новых покрытий создать специальное оборудование, с помощью которого протестировать пары трения в условиях реального космоса. Эта работа, инициированная российской стороной и поддержанная председателем президиума НАНБ М.В.Мясниковичем, объединяет более двадцати российских, украинских и белорусских организаций и находится сейчас в самом разгаре. Совместно с НПО им. С.А.Лавочкина Институтом механики металлополимерных систем уже разработан, изготовлен и сейчас находится на испытаниях наземный макет трибометра – прибора для измерения трения и износа перспективных материалов. К середине 2006 года участниками эксперимента будет изготовлен и полетный экземпляр бортового прибора, который установят на внешней стороне российского модуля МКС. — Какие еще белорусские организации привлечены к реализации проекта и в чем заключается их участие? — Для трибометра в конструкторском бюро «Планара» разработан и изготовлен не имеющий аналогов привод на сильных постоянных магнитах, который позволяет приводить в движение испытываемые образцы материалов, причем каждая из 24 пар трения может работать в разных режимах. Оперативно передавать с орбиты и обрабатывать информацию о результатах испытаний позволят компьютерные программы, предложенные Объединенным институтом проблем информатики НАНБ. Кроме того, разработка перспективных материалов и покрытий, технологий их нанесения ведется Институтом порошковой металлургии, Институтом надежности и долговечности машин, Физико-техническим институтом и Институтом технологии металлов НАНБ. Физтех готовит еще и оборудование для имитации космических испытаний на Земле. — А для чего нужны параллельные наземные испытания? — Опыт проведения первых же испытаний на трение на борту автоматической станции «Луна-22» и работы в рамках программы «Союз-Аполлон» показали, что условия реального космоса резко отличаются от тех, что создаются в модельных наземных экспериментах. Вокруг космического аппарата со временем образуется своя атмосфера из продуктов горения, выбрасываемых двигателями, отслоившихся микрочастиц обшивки, а если речь идет об орбитальной станции, то мощный вклад в формирование газовой оболочки вносят шлюзовые устройства, через которые осуществляются стыковки аппаратов и выходят в открытый космос члены экипажа. Эта атмосфера, удерживаемая в невесомости гравитационным полем корабля, резко отличается по свойствам от космического вакуума. Именно поэтому узлы трения в космосе изнашиваются значительно меньше или больше, чем при моделировании условий полета в земных условиях. Но такое моделирование необходимо, чтобы выделить и оценить каждый фактор, влияющий на износ материалов. При этом на Земле можно испытать большое количество пар материалов, выбрать самые перспективные, а на орбите окончательно проверить их. К тому же на Земле для исследований доступна любая аналитическая аппаратура. — Николай Константинович, недавно вы в составе авторского коллектива удостоены премии российского правительства 2004 года в области науки и техники. Это связано с космической тематикой? — Да. Речь идет о созданных с участием белорусских ученых магнитоуправляемых наножидкостях и новых электромеханических устройствах на их основе, которые нашли широкое применение на российских космических аппаратах. Достаточно сказать, что на одной только станции «Мир» стояло несколько десятков таких изделий. Сравнительные испытания показали, что магнитные жидкости, созданные специалистами России и Беларуси, не имеют себе равных по долговечности, выдерживаемому перепаду давления, потерям на трение. По последнему показателю, например, они превосходят американские аналоги на 10–30 процентов, что существенно сказывается на экономичности работы электромеханических систем космических аппаратов. И не только космических. Ведь наши разработки в этой области нашли применение и в земных технологиях. — Технологии, созданные для космических аппаратов, часто используются и в авиации. Насколько мне известно, Всероссийский институт авиационных материалов совместно с Российской академией наук выдвинул инициативу создать Белорусско-российский центр материаловедения. За этим предложением стоит опыт сотрудничества? — Безусловно. Инициатива была выдвинута ВИАМ на конференции «Поликомтриб» в Гомеле в июле 2005 года. И интерес российских партнеров объясняется тем, что мы имеем долгую историю сотрудничества в разработке технологии и оборудования, благодаря которому авиастроение России может производить термостойкие полимерные композиты. За этими конструкционными материалами, способными работать при температуре 400 градусов, будущее авиации, поэтому уверен, что центр, опирающийся на белорусско-российские технологии, будет обязательно создан. Кроме полимерных композитов, будет что предложить российской авиации и Институту порошковой металлургии НАНБ, участие которого в совместном проекте также предполагается. Словом, прочные технологические связи в авиационно-космической сфере, сложившиеся еще во времена единой страны, сегодня восстанавливаются и укрепляются.