«Техника-молодежи» 2002 г №4, с.31-34
| Сергей АЛЕКСАНДРОВ | «РОДСТВЕННЫЙ ОБМЕН» |
Аналогия идет и дальше: и в космосе, и под водой страшно дорог, в буквальном смысле, каждый грамм конструкции, оборудования и снаряжения. На определенном этапе развития ракетно-космическая техника, не связанная многовековыми традициями, вырвалась вперед в освоении новых материалов и технологий. И тут же за них ухватилась техника подводная. Цветные металлы, пластмассы и композиционные материалы, криогенная техника и химические источники кислорода, серебряно-цинковые и никель-кадмиевые аккумуляторы, электрохимические генераторы, твердотельные электронные компоненты... Перечень того, что «спустилось с неба под воду», можно продолжить.
ИДЕОЛОГИЯ. Хорошо, а есть ли обратное движение? Чем поделилась с космонавтикой подводная, морская техника? Конструкцией первых скафандров, методикой подготовки водолазов да химическими поглотителями углекислоты? Пока — да. Но дело не в «бедности» подводной техники, а в неготовности космонавтики воспользоваться ее достижениями!
Исторически сложилось, что человек (космический корабль, спутник, межпланетная станция) занял на ракете место атомной боеголовки. Причем и ракеты, даже лучшие, сложнейшую энергетическую задачу вывода в космос полезного груза решали и решают, что называется, «впритык». Ведь и в самом начале ракетной эры баллистические ракеты обошли своих конкурентов — ракеты крылатые, самолеты-снаряды — в основном оттого, что их системы работали только первые 7 — 10 мин полета против 2 — 4 ч! Поэтому и торжествовал до недавнего времени принцип «ненужное — выкинуть». Поэтому и системы космических ракет, а потом и кораблей делались в расчете ровно на один раз и один, недолгий, полет.
Таким способом в космос можно «выйти». Можно немножко в нем осмотреться. Можно решить несколько достаточно ограниченных задач, не требующих больших грузопотоков. А дальше — стена.
Потому стена, что даже простейший одноразовый космический корабль-спутник технически очень сложен. А значит, требует на отработку больших сил и средств. Но стоит ли их тратить на машину, работающую один раз и всего несколько минут?
Тут вот что интересно: конечно, многоразовое и долгоресурсное устройство дороже, чем одноразовое и короткоживущее, но, во-первых, чем дальше, тем эта разница меньше, а во-вторых — она больше при переходе от одноразового к двухразовому, чем от последнего — к стократному! И очевидно, что за пять лет работы дорогостоящее устройство принесет несоизмеримо больше пользы, чем за пять секунд дешевое, настолько больше, что окупится, как бы дорого ни было! Правда, нужно, чтобы эти пять лет наше устройство работало, а не стояло в ангаре. Для чего, в свою очередь, необходим совершенно иной, нежели сейчас, подход к программам исследования и освоения космоса. Нужно, проще говоря, ЛЕТАТЬ в космос как можно большему числу людей и как можно дальше! И вот ТОГДА окажется, что подводный флот может поделиться с флотом космическим очень и очень многим.
ФИЛОСОФИЯ ТЕХНИКИ. Едва ли не самой характерной конструктивной особенностью подводных лодок является наличие двух корпусов. Один — прочный, герметичный, в нем находятся люди, механизмы и вооружение, другой — в той или иной степени охватывающий его легкий, заполняемый при погружении водой. В легком корпусе, как правило, размещают те агрегаты, которые воды не боятся. Казалось бы, эта идея, ведущая свою историю с предвидений Жюля Верна, не нашла применения не только в космосе, но даже в воздухе. Однако...
Возьмем, например, хорошо известный, неоднократно подробно описанный, наш родной «Союз». Все, кто видел его цветные изображения, наверняка обратили внимание, что орбитальный бытовой отсек и спускаемый аппарат словно бы покрашены темно-зеленой краской. Так выглядит внешний слой экранно-вакуумной теплоизоляции — ЭВТИ. Она представляет собой слои тончайшей металлизированной пленки, между которыми проложена достаточно толстая стеклонитяная сетка. Снаружи нежный пакет покрыт прочной тканью, темно-зеленый цвет которой выбран по результатам расчетов, исходя из требуемого теплового режима. У «Союза» под ЭВТИ расположены многочисленные кабели, внешние узлы конструкции. Эта многослойная оболочка — чем не легкий корпус субмарины?
Двухкорпусная схема реализует глубокую, если хотите — философскую, концепцию разделения функций. В самом деле, чтобы при минимальной массе надежно выдерживать перепад давлений (в космосе — 0 атм. снаружи, 1 атм. внутри, в воде — 1 атм. внутри, до 1000 атм. снаружи), герметичный корпус должен иметь заданную форму, определяемую освоенными технологиями его изготовления (и диаметр, определяемый возможностями конкретного завода). А легкий корпус подводного аппарата воспринимает динамические нагрузки, возникающие при движении (скоростной напор, волны). У аппарата же космического внешний, легкий корпус обеспечивает тепловой режим, играет роль разнесенной защиты от метеоритов, а на низких орбитах воспринимает и скоростной напор верхних слоев атмосферы.
Еще два примера чисто двухкорпусной конструкции — сверхтяжелая ракета-носитель Н1 и многоразовый воздушно-космический корабль «Буран».
Технологические трудности сварки гигантских баков Н1 заставили вернуться к схеме, которая использовалась на ранних ракетах и была отвергнута как слишком тяжелая: баки «работают» только на внутренние нагрузки от топлива и наддува, а внешние возмущения и тягу двигателей воспринимает наружная силовая конструкция. Четверть века развития технологий не прошли даром, и ракетный блок с «подвесными» баками получился легче, но ракету это не спасло...
Кабина экипажа «Бурана» выполнена в виде отдельного гермоотсека и при сборке вставляется в носовую часть фюзеляжа. Последняя воспринимает динамические и тепловые нагрузки полета, оставляя гермоблоку главную задачу — поддержание жизни людей в атмосфере и космосе.
А полнее всего идея разделения функций по слоям оболочки воплощена в космических скафандрах. Их силовая оболочка обеспечивает механическую прочность и гибкость в суставах, за герметичность может отвечать она же, но бывает и отдельный слой; имеется внешняя и внутренняя теплоизоляция, прилегающий к телу слой активного терморегулирования (охлаждает разгоряченного тяжелой работой космонавта). Дополнительно есть (или может устанавливаться) противометеорная «броня», противорадиационная защита.
ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ. Мало создать и довести до работоспособного состояния сложнейшие технические системы (коими, безусловно, являются космический и подводный корабли). Их еще нужно правильно использовать.
Любая деталь любой конструкции имеет две возможных причины для поломки: во-первых, это разовое нагружение силой, большей, чем она способна выдержать; во-вторых — усталостное разрушение, превышение ресурса. С первым все достаточно ясно. Остановимся на втором.
Абсолютное большинство деталей и узлов в любой машине (да и любом сооружении) испытывают не постоянные, а переменные по направлению и величине нагрузки. Они могут колебаться вокруг некоего номинала, а могут изменяться от нуля до какого-то достаточно большого значения. Принципиально важно, что материал любой детали при этом начинает работать иначе, чем при постоянной нагрузке: на его прочность сильно влияют как невидимые невооруженным глазом микродефекты, так и допущенные конструктором концентраторы напряжений. В них напряжение в детали может превышать предел прочности, микродефекты начинают расти, с каждым циклом нагружения все больше, и, наконец, узел разрушается. Этот процесс может многократно ускоряться, если деталь нагревается при работе.
Мы до сих пор говорили только о механических деталях. Но похожие явления происходят и в электрических схемах, только там нагрев имеет еще большее значение.
Из сказанного нетрудно понять, что дольше «живут» массивные детали: микротрещинам в них нужно больше времени для роста, да и прогреваются они дольше (разумеется, если в них нет других конструкторских ошибок и откровенного заводского брака). Но совершенно очевидно, что «более массивные» значит «более тяжелые», причем иногда настолько более тяжелые, что агрегат из таких деталей, призванный перемещаться в пространстве и что-то куда-то везти, просто не сдвинется с места...
Что касается космической техники, путь использования «толстых» деталей ей просто заказан. И с самого начала ракетчики пошли по другому пути.
Ракетный двигатель — вершина развития техники. Не существует другой машины, «перемалывающей» такую чудовищную мощность при столь сравнительно небольших размерах и массе. Удельная мощность выше только в атомной бомбе, но та при работе мгновенно распыляется на элементарные частицы, ракетный же двигатель устойчиво работает... Сколько? Да не более 8 -10 мин.
Ракете-носителю этого хватает, чтобы разогнаться до орбитальной скорости и выйти в околоземный космос. А дальше? Ведь если мы хотим регулярно летать хотя бы на планеты Солнечной системы и не тратить на один полет полжизни, а то и всю жизнь, скорости нужны в 10 — 100 раз большие. То есть, соответственно, в 40 — 400 раз дольше (с учетом разгона и торможения при полете туда и обратно) должен работать двигатель!
На самом деле все еще сложнее. Отказ двигателя на ракете-носителе ведет, в худшем случае, к срабатыванию системы аварийного спасения и экстренному возвращению экипажа на Землю: перегрузки за 20 g, посадка куда повезет — все это неприятно, но не смертельно. А вот отказ двигателя где-нибудь у Марса... Система аварийного спасения здесь не поможет, поскольку нигде, кроме кабины корабля, человек там жить не способен, а отстреливать и уводить на безопасное расстояние кабину целиком — то же самое, что таскать с собой второй такой же корабль... Стоп, а вот это можно сделать и более эффективно.
Перенесемся на некоторое время из космоса в гидрокосмос. Атомная подводная лодка уходит на боевую службу не на 8 — 10 мин, а на 60 — 90 суток (округленно, 86 — 130 тыс. мин). Меж тем требования к массе ее агрегатов достаточно жесткие (хотя, конечно, не столь жестокие, как в летающей технике). Каким образом решается эта проблема?
Очень просто. Экипаж субмарины в любой момент может узнать состояние каждого агрегата, посмотрев на индикатор соответствующего прибора или, что, может, иногда важнее, — подойти и пощупать. Рукой. Ибо многого в поведении нами же созданных машин мы еще до конца не понимаем, тем более — не можем выразить в цифрах на световом табло, а вид, звук, запах узла скажут инженеру: пора ли его выкидывать, можно ли еще отремонтировать, или так поработает.
Разумеется, далеко не все узлы подводного атомохода можно починить «на ходу». Но что можно, что не требует специальных производств — чинится. Для чего на борту есть и станочный парк, и необходимые запасы материалов и деталей. А еще для этого конструкция агрегатов и компоновка отсеков предусматривают возможность доступа экипажа во все закоулки корабля и ремонта узлов.
Конечно, это постоянная головная боль конструкторов подводных лодок, область их беспрестанных споров с военными заказчиками. Последние неумолимы: экипаж должен заделать пробоину! Вспомните неоднократно показывавшиеся кадры учений по борьбе за живучесть (или съемки военных времен, в реальных аварийных ситуациях): моряки под режущими струями воды прижимают заплату деревянным брусом или — ближе к нашим дням — винтовой распоркой. К сожалению, это возможно не всегда, но на субмаринах такое требование хотя бы берется в расчет при проектировании. В космосе же...
Сейчас, сегодня при создании обитаемых отсеков космических кораблей необходимость добраться до любой точки обшивки тоже учитывается. Но на летающих машинах мы этого почти не видим. Почему?
А что у нас сейчас летает? «Союз»? Начало разработки — 1962 г., первый полет — 1967-й, первоначальная расчетная продолжительность полета — до двух недель. «Мир» или блоки «Звезда» и «Заря» МКС? Но ведь это, в сущности — аппараты, известные как ДОС и ТКС, начатые разработкой в 1964 г. и впервые полетевшие, соответственно, в 1971 и 1977 гг. «Space
Shuttle»? Конструктивно-компоновочная схема утверждена в 1974 г., первый полет — 1981 г. Только на новейших модулях американского сегмента МКС, проектирование которых началось в середине 1980-х, необходимость широкого доступа к обшивке и блокам оборудования учтена хоть в какой-то мере.
И МНОГОЕ ДРУГОЕ... Разумеется, заимствование космонавтикой технологий и технических решений судостроения, как подводного, так и надводного, расширится, когда речь пойдет о больших обитаемых космических аппаратах, рассчитанных на многолетнюю эксплуатацию вдали от Земли. Как всегда, придется решать извечное противоречие между мечтами конструкторов и технологическими возможностями заводов: из наличных материалов, полуфабрикатов создать отработанными технологиями достаточно большую и высоконадежную, но при этом легкую конструкцию.
Хочешь не хочешь, а придется вспомнить опыт строительства самых больших мобильных творений человечества. В конце концов, слова «шпангоут», «обшивка», «люк», «переборка» настолько прочно вошли в обиходный язык, что не каждый вспомнит: это ведь, изначально, элементы судовых конструкций! И глупо не использовать приемы их наиболее оптимального сочетания, отработанные десятилетиями на десятках моделей и сотнях образцов.
Повторюсь еще раз: все это БУДЕТ востребовано, КОГДА человечество выйдет в космос широко и уверенно. Как оно вышло в Мировой океан...