Космос начинается на земле

Для того чтобы ракеты-носители, а также космические аппараты удовлетворяли требованиям надежности, долговечности и работоспособности, на Земле они тщательно и всесторонне испытываются в условиях, максимально соответствующих имеющимся при запуске и в ходе орбитального полета. Специалистов, в частности, интересуют ответы на вопрос о том, как перенесут "нежные" приборы вибрацию и перегрузки, какова степень герметичности аппаратов, как работает система единого питания, как ведут себя различные материалы в глубоком вакууме при экстремальных температурах и многое другое.

Важное место в наземной отработке космических аппаратов занимает изучение их теплового режима. Жесткие весовые и энергетические ограничения заставляют конструкторов создавать системы терморегулирования без существенных запасов хладо— или теплопроизводительности. В этих условиях даже незначительные ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, что тепловой режим космического аппарата не будет выдержан в заданных пределах и вызовет выход из строя элементов бортовой аппаратуры.

Как показано на рис. 12, особенности теплового режима (даже в рамках допустимого диапазона) сильно влияют на надежность космического аппарата. Наименьшее число отказов наблюдается при нормальной, комнатной температуре. С ее понижением число отказов возрастает, становясь значительным при пониженных температурах и особенно большим при повышенных. Для проведения тепловых испытаний на Земле в специальных барокамерах (рис. 13) воспроизводятся некоторые условия космического пространства, прежде всего давление, температура и солнечная радиация. В полной мере имитация этих условий сложна, поэтому на практике обычно ограничиваются той или иной степенью приближения. Так, например, уже при давлении 10^-8-10^-10 кгс/см2 теплопроводность газов становится пренебрежимо малой, и ею можно пренебречь. Отвод тепла от космического аппарата в окружающую среду в этом случае будет происходить так же, как и в космосе, — только излучением.

Температура космического пространства с достаточной для практических целей точностью имитируется путем охлаждения внутренних стенок (экранов) барокамер жидким азотом (77 К). Изнутри эти экраны покрывают специальными покрытиями, обеспечивающими степень их черноты, близкую к единице. Это делается для того, чтобы излучаемый объектом тепловой поток поглощался стенкой, а не отражался ею обратно на объект.

Вообще говоря, ряд специалистов считает, что имитация истинных условий космоса, возможно, никогда не будет достигнута, но любая степень приближения к ним стоит затраченных усилий. Однако на практике всегда ограничиваются разумной степенью приближения, определяемой некоторым пересечением технической осуществимости и экономической целесообразности создания наземных экспериментальных установок.

На начальном этапе развития космонавтики наземная экспериментальная база была сравнительно слабой. В США, например, первая установка, предназначенная для проведения тепловых испытаний космических аппаратов, построена только в 1958 г. и была весьма примитивной. Она представляла собой камеру диаметром 2,4 м и длиной 4,6 м. Ее экраны охлаждались протекавшим по ним жидким азотом. С помощью трех механических и одного диффузионного насосов в ней можно было поддерживать давление порядка 10^-11-10^-12 кг/см². Имитация внешнего теплового потока, поступавшего на установленный в камере аппарат, производилась с помощью инфракрасных нагревателей, количественно воспроизводивших потоки, вычисленные аналитически.

Рис. 12. Зависимость количества отказов приборов 11 космических аппаратов от окружающей температуры:
1 — комнатная температура; 2 — фаза перехода от максимально допустимой к минимально допустимой температуры приборов; 3 — минимально допустимая температура приборов; 4 — максимально допустимая температура приборов.

Практический опыт, однако, вскоре показал, что экспериментальная техника должна быть более совершенной прежде всего в аспекте имитации внешних тепловых потоков. В результате в 60-е годы в разных странах начали проводиться работы по созданию имитаторов солнечного излучения. Их применение, кроме более полного исследования тепловых режимов космических аппаратов, позволяло также решать широкий круг других весьма важных задач: испытывать оптические приборы системы ориентации и солнечные батареи, снабжающие аппарат электрической энергией, изучать влияние излучения Солнца на свойства материалов и т.д.

Рис. 13. Схема барокамеры [правая половина условно повернута на 45 градусов, чтобы был виден диффузионный насос]:
1 — ферменная конструкция, к которой подвешены коллимирующие зеркала 11; 2 — направление потока воздуха при вакуумировании; 3 — диффузионный насос; 6 — рабочая часть камеры; 7 — стенка, охлаждаемая жидким азотом; 8 — установка для имитации солнечного излучения; 9 — мозаичная система линз; 10 — стенка, охлаждаемая жидким азотом; 11 — коллимирующие зеркала; 12 — платформа обслуживания.

Первоначально в качестве источников излучения применялись угольно-дуговые лампы, достаточно хорошо имитировавшие спектральное распределение энергии Солнца во всем диапазоне длин волн, кроме ультрафиолетовой области {0,2–0,4 мкм), где недостаток мощности можно было компенсировать с помощью дополнительных источников. Однако этот вид ламп имел ряд существенных недостатков; в частности, из-за быстрого сгорания положительного электрода (для дуги мощностью 10 кВт скорость сгорания составляла 0,5 м/ч) его постоянно приходилось заменять новым, кроме того, механизм подачи электродов был сложен, нужно было защищать элементы оптической системы (зеркала, отражающие и преломляющие свет, линзы и пр.) от загрязнения продуктами сгорания.

Поэтому начали применяться лампы с газовым наполнением (ксеноновые, ртутно-ксеноновые), сочетающие в себе яркость угольной дуги с удобством эксплуатации. Вместе с тем и эти лампы имели недостатки. Так, например, они имитировали солнечный спектр хуже, чем угольно-дуговые лампы. В процессе развития оба типа ламп совершенствовались: разрабатывался нерасходуемый отрицательный электрод в угольно-дуговой лампе, улучшалась имитация солнечного спектра за счет введения дополнительных газов в ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы и т.д.

Для создания необходимой интенсивности теплового потока применяется большое количество ламп, располагающихся так, чтобы на испытываемом объекте не появлялось тени или сильно нагреваемых мест за счет взаимного перекрытия лучей от отдельных светильников. Лучи света направляются в камеру с помощью специальных оптических систем, отличающихся большим разнообразием конструкции. Вот, например, как устроена оптическая система одной из моделирующих установок (рис. 14).

Рис. 14. Оптическая система экспериментальной вакуумной установки

Поток лучей создается солнечным имитатором, расположенным в 10-метровой надстройке над цилиндрической барокамерой высотой порядка 14 м и диаметром 8 м. Источником лучистой энергии служат ртутно-ксеноновые лампы (9) мощностью по 2,5 кВт, расположенные вне камеры на щите 1. Таких ламп свыше 130, лучи от них собираются параболоидным зеркалом (2) и направляются на выпуклое зеркало 3. Последнее состоит из 19 шестигранников с диаметром описывающих их окружностей, равным 0,165 м. Этим зеркалом пучок лучей направляется через линзу (4} и попадает на рассеивающее зеркало (5), посылающее, в свою очередь, эти лучи на главное параболоидное зеркало (6), формирующее поток в рабочей зоне камеры (7).

Каждая лампа освещает свой участок в рабочей зоне и снабжена устройством для регулировки с главного пульта управления. Зеркало (5) имеет диаметр 0,765 м и состоит из 1150 охлаждаемых водой отдельных параболоидных зеркал, изготовленных из нержавеющей стали. Так как зеркало (5) создает в рабочей зоне теневой участок, имеется вспомогательная оптическая система, освещающая этот участок (на рис. 14 не показана).

Увеличение размеров космических аппаратов закономерно вызывало необходимость в создании камер большого объема. В начале 60-х годов начинают появляться камеры объемом свыше 50 м³ и даже свыше 500 м³. К концу 60-х годов в США, например, насчитывалось 14 камер объемом свыше 1000 м³ (камера, предназначавшаяся для испытания космического корабля "Аполлон", имела объем 11 233 м³).

Как методы имитации температуры и внешних тепловых потоков, так и методы создания космического вакуума в таких установках претерпели существенные изменения. Действительно, в более крупных установках требуются, например, более высокие скорости откачки газов, так как внутренние поверхности стенок камер в вакууме выделяют пары и газы, количество которых при прочих равных условиях прямо пропорционально размерам камер. Кроме того, в больших установках, как правило, бывает значительной длина уплотнений, через которые в барокамеру проникает воздух. Наконец, на количество выделяющихся паров и газов влияют вспомогательное оборудование и размеры испытываемых объектов, имеющих в большинстве случаев материалы с большим газоотделением (все органические материалы, резина и т. д.).

Однако поддержание необходимого уровня вакуума в больших камерах путем увеличения скорости откачки с помощью насосов становится технически сложным, и поэтому решение этой задачи пошло по другому пути — с помощью криогенной откачки. С этой целью в камере предусматривались участки (криогенные панели), охлаждаемые жидким водородом (точка кипения при нормальном давлении составляет 20 К) или газообразным гелием (11 К). Молекулы остаточного газа, попадая на эти панели, "замораживаются", что приводит к понижению давления в камере. Криогенные панели размещаются в пространстве между другим экраном, охлаждаемым жидким азотом.

Охлаждать гелием целиком все экраны камеры технически сложно и экономически невыгодно, так как в этом случае, в частности, первоначальная стоимость установки и эксплуатационные расходы становятся весьма большими. Использование криогенных панелей позволяет с минимальными затратами решить задачу о поддержании необходимого вакуума в камерах. В качестве основных используются чаще всего диффузионные насосы, хотя в ряде случаев применяются и другие их виды: ионно-сорбционные, титановые сублимационные, турбомолекулярные и др.

Так как стоимость космических аппаратов весьма высокая, тепловые испытания иногда проводят на специальных тепловых макетах, на которых вместо аппаратуры применяются имитаторы. На таком макете в разных его местах размещаются температурные датчики, чтобы по их показаниям можно было составить полное представление о тепловом режиме космического аппарата. Тепловой макет устанавливают в барокамере, производят откачку из нее газов, охлаждают ее экраны. Затем включают солнечные имитаторы и начинают испытания.

С помощью специального устройства макет вращается, имитируя изменение положения аппарата относительно Солнца в ходе его космического полета. Имитаторы аппаратуры работают по заданным программам, воспроизводя тепловыделение приборов в разных режимах "полета". Показания датчиков автоматически записываются на специальных приборах. Если в ходе испытаний обнаружится, что система терморегулировании работает неудовлетворительно, в ее конструкцию вносятся соответствующие изменения, и в случае необходимости вновь проводятся испытания для определения эффективности этих изменений.

В наземных условиях проводится и имитация теплового режима космических аппаратов на участках полета в атмосфере планет. При этом в термобарокамерах воспроизводятся два основных параметра: давление ("высота") окружающей среды и температура поверхности космического аппарата. Нагрев поверхности испытуемых объектов производится специальными нагревателями, например инфракрасными вольфрамокварцевыми радиационными нагревателями. Такие нагреватели состоят из трубок, изготовленных из кварцевого порошка, с навитой на них вольфрамовой нитью накала. Они монтируются в керамические рефлекторы, отражающие тепловые потоки. Существующие нагреватели имеют температуру нити 3000° С. В качестве нагревателей используются также и кварцевые лампы, графитовые оболочки и другие устройства.

Особенно сложная задача при проведении такого рода испытаний состоит в имитации изменения окружающего давления. Во время запуска космического аппарата уменьшение давления воздуха от атмосферного до 10–8 кг/см2 происходит за несколько минут. Изменить так резко давление в вакуумной камере в реальном масштабе времени весьма сложно, так как большинство космических имитаторов не оборудовано вакуумными насосными системами, обеспечивающими такие скорости откачки. Поэтому на практике эта задача решается различными приближенными методами, основанными, как правило, на изменении масштаба времени.

Экспериментальное изучение аэродинамического нагрева в ряде случаев приводило к получению весьма ценных результатов. Так, например, американским специалистам удалось с помощью его имитации найти ответ на вопрос о том, почему в процессе полета одной из ракет систематически происходило разрушение обшивок сотовой конструкции, изготовленной из стекловолокна, пропитанного фенольной смолой. Результаты экспериментов наглядно показали, что причина этого состояла в резком повышении давления газов внутри обшивки из-за слабой газопроводности ее материала.

Большую роль наземная отработка играет также в обеспечении теплового режима ракетных двигателей.

Огневые испытания проводятся в специальных испытательных комплексах, представляющих для крупных ЖРД весьма сложные инженерные сооружения, в состав которых входят хранилища компонентов топлива и цехи но производству сжатого газа, системы обеспечения электроэнергией и огневые стенды, исследовательские лаборатории и производственные помещения и т.д.

Для решения ряда задач проводятся огневые испытания двигателей в вакуумных установках, имитирующих условия космического пространства. Так, например, в таких установках проводятся исследования теплового режима двигателей с радиационным охлаждением, изучается поведение в космосе абляционных покрытий камер, определяются реальные температуры топливных баков и пр. Наземная отработка позволяет выявить и исправить ошибки проектирования и тем самым повысить надежность выполнения дорогостоящих космических программ.

Итак, заканчивая рассмотрение методов тепловой защиты, отметим, что развитие ракетно-космической техники пока еще находится ближе к своему началу, чем к концу. Впереди еще много новых и сложных задач, решение которых неминуемо приведет к появлению оригинальных технических решений, в том числе и в области тепловой защиты.

Далее…