М. Д. Нусинов. Космический вакуум

Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

Космический вакуум / и надежность космической техники. – М.: Знание, 1986. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 6).

Явление космического вакуума широко используется в различных космических экспериментах и технологических процессах, однако она и отрицательно воздействует на работу систем космических аппаратов. В брошюре рассказывается об основных типах воздействия космического вакуума на материалы, узлы и системы космических аппаратов, особо рассматриваются процессы воздействия космического вакуума на живую материю, в частности на микроорганизмы.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современными проблемами космонавтики.

Вырвавшись на бескрайние просторы Вселенной и приступив к их планомерному освоению, человек вплотную столкнулся с принципиально новыми физическими явлениями, особое место среди которых занимает космический вакуум. Однако следует предостеречь читателя от прямого толкования этого термина: слово «вакуум», как известно, в переводе с латинского означает «пустота». Такое дословное толкование сейчас представляет собой разве что музейную ценность. В земной практике, например, принято считать, что мы имеем дело с вакуумом, если давление в газовой среде ниже нормального атмосферного значения. В общем же случае, вопреки давно бытующей поговорке «Природа не терпит пустоты», Вселенная на 99,999...% состоит из вакуума, т. е. пустоты, и лишь ее незначительные части представляют собой сгущения материи.

Космический вакуум по своим характеристикам близок к тому предельному вакууму (или даже намного превышает), который получают сегодня в земных лабораториях в специальных установках. Поэтому можно сказать, что с этим вакуумом человек знаком давно. Как искусственный физический феномен вакуум не только известен, но и с незапамятных времен исправно служит людям.

Можно перечислить сотни научных экспериментов, постановка которых возможна лишь в условиях сильно разреженной среды. Только в вакууме удается получать сверхчистые металлы, осуществлять тончайшие технологические процессы. Без него не смогли бы работать кинескопы телевизоров и многие другие электронные приборы. Да что говорить, если даже обычные медицинские банки – это тоже своего рода «вакуумная техника».

Почему же космический вакуум мы называем новым физическим явлением? Чем отличается он от разреженных газовых сред, с которыми человек давно имел дело в привычных земных условиях?

Его первая «особая примета» – чрезвычайная разнородность структуры. Вселенная представляет собой бескрайнее, бездонное вместилище твердой, жидкой, газообразной и плазменной материи. Однако заполнена она крайне неравномерно. Концентрация газовых частиц в космическом пространстве меняется в поистине гигантском диапазоне. Так, например, у поверхности Земли она достигает астрономической величины 2,7·10¹⁹ частиц в одном кубическом сантиметре. Но если взять достаточно удаленное от небесных тел пространство, то здесь в том же объеме будет «прописана» в среднем уже лишь одна частица.

Вторая отличительная черта космического вакуума связана с неограниченной способностью космического пространства «поглощать» вещество. Частица, испарившаяся в космос с какой-либо поверхности космического летательного аппарата, практически не имеет никаких шансов вернуться «домой» – она превращается в вечного странника.

По вакуумным просторам Вселенной толпами и в одиночку путешествуют молекулы, атомы, протоны, электроны, фотоны, словом, материальные частички самых разных мастей. Причем они движутся с гигантскими скоростями, но, к счастью, от встреч с большинством из них жители Земли избавлены благодаря двойной защите: плотной газовой оболочке (атмосфере) и магнитному полю. В атмосфере Земли сгорают и рои твердых микрометеороидов, общение с которыми тоже не сулит человеку ничего хорошего.

Но в открытом космосе никто и ничто не защитит человека, если он сам о себе не позаботится. Пребывание живых организмов в космическом вакууме незащищенными невозможно. В XVII в немецкий физик О. Герике поместил в стеклянный шар мышь и, откачав из него воздух, обнаружил, что мышь быстро погибла. Этот наглядный пример показывает, что в космическом вакууме не может быть незащищенной жизни. Поэтому космонавты при выходе в открытый космос облачаются в специальные скафандры.

Здесь, конечно, перечислены не все сюрпризы, которыми встречает отважных пришельцев космический вакуум. Но даже из того, что сказано, можно сделать определенные выводы.

В течение всего полета космических кораблей на их борту необходимо сохранять атмосферные условия, максимально приближенные к земным: малейшая утечка газа в космическое пространство чревата самыми серьезными последствиями. Иначе говоря, пилотируемый космический аппарат должен быть надежным образом загерметизирован. На Земле в специальных лабораториях с предельной тщательностью проверяются каждый шов, каждый стык космического корабля. Но это только четверть дела. Обеспечить надежную герметичность при стыковке пилотируемых космических аппаратов в космосе – задача еще большей сложности. Однако и эта проблема была успешно решена.

Поддерживать стабильный тепловой режим внутри кабины космического аппарата – также дело непростое. Причем управлять температурой на околоземной орбите ничуть не легче, чем во время межпланетного перелета. За короткое время искусственный спутник Земли переходит с освещенной Солнцем стороны Земли в ее тень и снова – на солнечную сторону. Его, в самом прямом смысле слова, бросает то в жар, то в холод. А при этом внутри его жилых отсеков температура должна быть постоянной, и поэтому на борту такого пилотируемого аппарата необходимо размещать специальную систему терморегулирования.

Однако защищать от космического вакуума надо не только человека, но и целый ряд бортовых устройств. Например, электронные узлы и блоки бортовых приборов, отдельные элементы автоматики и т. п. Далее, это различные механизмы и узлы трения, которым грозит так называемая холодная сварка и т. п.

Итак, космический вакуум предъявляет как к пилотируемым, так и к беспилотным космическим аппаратам немало специфических требований, которые нужно учесть еще в процессе наземной подготовки к полету – в космосе подобные эксперименты могут обойтись слишком дорого. Отсюда вытекает необходимость создавать на Земле лабораторные установки, в которых моделируются условия космического вакуума. И такие установки были созданы. В них можно исследовать поведение не только космических аппаратов, но также и ракет-носителей. Трудно даже представить себе гигантские размеры таких установок.

Сверхвысокий вакуум поддерживается в испытательных моделирующих установках главным образом путем вымораживания газов и паров на внутренней поверхности установок. Эти поверхности охлаждаются до сверхнизких температур жидкими азотом, водородом и гелием. Поэтому развитие космической техники дало мощный импульс развитию вакуумной и криогенной техники.

Ученые всерьез занялись также наукой о моделировании воздействий космического вакуума на материалы, узлы и элементы космических аппаратов, что породило новую отрасль науки – космическое материаловедение.

Кроме воздействий на искусственные материалы космических аппаратов, космический вакуум воздействует также специфическим образом на естественные вещества поверхностей различных безатмосферных небесных тел. Однако эти воздействия должны служить предметом отдельного разговора.

В настоящей брошюре рассматриваются разнообразные воздействия космического вакуума на материалы, узлы и элементы устройств космических аппаратов. В ряде случаев эти воздействия ухудшают эксплуатационные характеристики этих объектов и могут привести даже к отказам, оказывая в целом неблагоприятное воздействие на функционирование космического аппарата и его частей. В других случаях космический вакуум оказывает благоприятное воздействие и может быть использован в полезных целях (процессы космической технологии и бортовые эксперименты в условиях космического пространства).

Поскольку узлы и блоки космических аппаратов, как правило, представляют собой очень сложные оптико-механические и электронные устройства, то даже знание детальных характеристик поведения отдельных их составных частей в космическом вакууме (вакуумные характеристики) пока не дает еще возможности аналитически оценить и заранее предсказать те или иные особенности их поведения при длительном пребывании в космическом пространстве (ресурс, отказы и т. п.). Однако так как все они требуют в той или иной степени высочайшей надежности в космическом полете, то единственно приемлемым пока способом их наземной подготовки к полетам являются тщательные наземные исследования и испытания в установках, моделирующих воздействия космического вакуума.

Особо рассматривается воздействие космического вакуума на биологические объекты – микроорганизмы. Эти воздействия представляют практический интерес с точки зрения стерилизации космических аппаратов и планетного карантина. Кроме того, они имеют самостоятельное значение в области фундаментальной науки – применительно к проблеме происхождения жизни на Земле, определения границ земной биосферы и др.

КОСМИЧЕСКИЙ ВАКУУМ. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Природный вакуум. Космическое пространство, в котором сейчас функционируют космические аппараты, весьма различается по своим физическим характеристикам. Это и верхние слои атмосфер Земли, других планет, некоторых их спутников и кометных ядер, это и межпланетное пространство, это, наконец, и межзвездное пространство, к которому приближаются в настоящее время автоматические станции «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояжер-1», а вскоре и «Вояжер-2» (после пролета Нептуна). В связи с этим являются различными и условия космического вакуума, в которых работают системы космических аппаратов.

Например, астрономические наблюдения показывают, что межзвездное пространство в областях ионизованного водорода характеризуется средней концентрацией частиц около 10⁶ м^–3 и температурой порядка 100 К. Иные характеристики вакуума в межпланетном пространстве, которое заполнено частицами межпланетной плазмы, имеющими в основном солнечное происхождение. Вообще говоря, условия в межпланетном пространстве широко варьируют в зависимости от солнечной активности, изменяющейся с 11-летним и другими циклами.

Ближайшая к нам звезда, Солнце, состоит по массе в основном из водорода (около 90%) и гелия (9%). Верхние слои внешней атмосферы Солнца, солнечной короны, имеют кинетическую температуру порядка 1 млн. К, что обеспечивает выброс (эжекцию) частиц из короны в околосолнечное пространство со скоростями от 300 до 800 км/с (при среднем значении 450 км/с). В результате образуются стационарные потоки плазмы – солнечный ветер, состоящий в основном из ионизованного водорода и гелия.

Около орбиты Земли солнечный ветер характеризуется средними концентрацией атомов водорода 5·10⁶ м^–3 и кинетической температурой около 200 тыс. К. В период максимума солнечной активности, после появления на Солнце хромосферных вспышек, средняя скорость частиц солнечного ветра может возрастать до 1000 км/с, а средняя концентрация частиц – до 10⁸ м^–3. При взаимодействии сверхзвуковых потоков частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна на расстоянии порядка 10 радиусов Земли от земной поверхности.

Свойства околоземного пространства во многом определяются строением земной атмосферы, одной из основных характеристик которой является атмосферное давление. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление быстро уменьшается, что связано со все меньшей концентрацией частиц в земной атмосфере в более верхних ее слоях. Атмосферное давление – это давление атмосферного столба на определенной высоте, и чем меньше частиц в столбе (чем меньше его масса), тем меньше и давление. p>ВВпервые на то, что должна существовать зависимость давления воздуха от высоты местности, обратил внимание Б. Паскаль. Он поднялся на крышу высокого здания и обнаружил, что по мере подъема уровень ртути в манометрической трубке понижается. В 1647 г. его родственник Ф. Перье поднялся на гору Пюи де Дом в Овернской провинции (Франция) и полностью подтвердил предположение Б. Паскаля.

Дальнейшие подробные исследования позволили определить атмосферное давление и температуру на различных высотах от поверхности Земли. На рис. 1, например, показаны давления атмосферы Земли в зависимости от высоты над ее поверхностью по данным, имевшимся в 1958 г., т. е. на начало космической эры. В табл. 1 приведены современные данные о распределении атмосферного давления, температуры и концентрации частиц нейтральной составляющей атмосферы Земли при различном удалении от земной поверхности.

Некоторые характеристики атмосферы Земли в зависимости от высоты
над уровнем моря в условиях средней солнечной активности

Высота, км	Температура, К	Давление, Па	Концентрация нейтральных частиц, м^–3	Средняя молекулярная масса, а. е. м.
Уровень моря	300	~10⁵	2,7·10²⁵	29
30	243	~10⁴	4·10²³	29
100	200	2,9·10^–2	–	29
200	1200	1,3·10^–4	2·10¹⁶	25
500	1300	9,3·10^–7	7,6·10¹³	17
1000	1300	~10^–8	2,6·10¹¹	9
20000	~10³	~10^–12	~10⁸	2

Из сравнения рис. 1 и табл. 1 следует, что ранние данные на сегодня уже неточны, причем расхождение увеличивается с высотой. Так, если на высоте 100 км фактическое давление ниже указанного на рис. 1 примерно в 50 раз, то на больших высотах оно, наоборот, выше указанного на рис. 1. Таким образом, примерно за четверть века космической эры были существенно уточнены наши знания об окружающем нас околоземном космическом пространстве, в том числе и о характеристиках его космического вакуума.

Состав атмосферы Земли на высотах более 100 км существенно различен как в химическом отношении, так и по состоянию частиц (молекулы, атомы или ионы). Однако до высот примерно 100 км сухая составляющая атмосферы (т. е. без учета воды) химически почти однородна, за исключением озона. На высотах до 60 км составляющие атмосферы существуют практически только в виде нейтральных молекул, на бóльших же высотах возрастает концентрация электронов и ионов. На высотах свыше 700 – 800 км атмосферные составляющие существуют преимущественно в виде атомов, а на высотах свыше нескольких тысяч километров все составляющие становятся полностью ионизованными.

С удалением от поверхности Земли атмосферные слои являются все более и более разреженными. Степень разреженности среды иногда характеризуют с помощью средней длины свободного пробега частиц, т. е. до их столкновения друг с другом. Так, например, уже на высотах 100 – 150 км эта величина в атмосфере Земли составляет несколько десятков метров, т. е. становится соизмеримой с линейными размерами многих космических аппаратов.

Наконец, отметим, что земная атмосфера, главным образом ее внешняя часть – экзосфера, находится в непрерывном движении и изменении. Это связано с солнечной активностью и другими причинами. Наблюдаются 27-летние, 11-летние, сезонные, суточные, широтные и другие вариации концентрации частиц (и соответственно атмосферного давления) и температуры в атмосфере.

Ближайшее к нам небесное тело, Луна, также обладает атмосферой, но чрезвычайно разреженной: атмосферное давление у лунной поверхности порядка 10^–10 Па ночью и 10^–8 Па днем, а концентрация частиц составляющих атмосферы вблизи лунной поверхности 2·10¹¹ м^–3. В общем-то это понятно, ведь масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, и поэтому даже столь разреженную атмосферу Луна удерживала бы с трудом, если бы не приток солнечного ветра.

Во время полетов на Луну космических кораблей «Аполлон» были непосредственно измерены концентрации основных составляющих лунной атмосферы, которыми оказались неон, аргон, гелий и молекулярный водород. Причем концентрации гелия и неона в целом согласуются с предположением, что их источником является солнечный ветер. Аргон, видимо, осаждается (адсорбируется) на лунной поверхности при ее сильном охлаждении ночью. А вот концентрация молекулярного водорода в 3 раза превышала ожидавшуюся из теоретических представлений.

Небольшая и также сильно разреженная атмосфера имеется у планеты Меркурий: атмосферное давление у ее поверхности равно 7,98·10^–8 Па. Измерения, проведенные с помощью космического аппарата «Маринер-10», показали, что основные составляющие атмосферы Меркурия – это неон, аргон и ксенон.

Сравнительно разреженная атмосфера имеется у Марса, масса которого в 9 раз меньше массы Земли. Основными составляющими марсианской атмосферы являются углекислый газ, азот и аргон, атмосферное давление у поверхности 6,65·10² Па, что, естественно, во много раз выше, чем у Луны и Меркурия.

Очень плотной атмосферой обладает Венера: атмосферное давление у венерианской поверхности около 10⁷ Па, температура 773 К. Доминирующей составляющей атмосферы является углекислый газ. На расстоянии 1000 км от венерианской поверхности концентрация атомов водорода равна 10⁹ м^–3, на расстоянии 6000 км – 10⁸ м^–3, а на расстоянии 20000 км – около 10⁷ м^–3.

Чрезвычайно мощные и протяженные атмосферы характерны для планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Обнаружены также атмосферы у Ио (спутника Юпитера) и у Титана (спутника Сатурна). Атмосферное давление у поверхности последнего в 2– 3 раза превышает атмосферное давление у земной поверхности. Однако характеристики атмосфер у планет-гигантов мы рассматривать не будем, поскольку они далеки от характеристик космического вакуума.

Вакуум снаружи и внутри космического аппарата. Давление газа вокруг космического аппарата быстро падает в ходе его запуска с Земли и при выводе на околоземную орбиту. Условия высокого вакуума устанавливаются уже примерно после 3 – 5 мин космического полета. Это происходит на высоте около 150 км, где давление газа составляет около 5,05·10^–4 Па. При этом средняя длина свободного пробега частиц газа здесь ориентировочно в 5 – 10 раз превосходит характерный линейный размер космических аппаратов.

При этих так называемых бесстолкновительных условиях высокого вакуума, если на космическом аппарате имеются негерметичные отсеки, будет не хватать времени для того, чтобы давления снаружи и внутри отсеков выровнялись. Последнее обстоятельство может привести к ряду неприятностей: например, при наличии включенных высоковольтных электрических цепей в отсеках космических аппаратов – к электрическим пробоям и т. д.

Конечно, аналогичное неравенство давлений возникает и при входе космического аппарата в плотные слои атмосферы при возвращении на Землю, но, так сказать, с обратным знаком.

В космическом полете вакуумная среда вокруг космического аппарата определяется в общем случае характеристиками планетной атмосферы или межпланетного пространства, а также характеристиками искусственной атмосферы, образующейся газовыделением материалов космического аппарата и другими источниками (газовыделение двигателей управления, утечка газа из кабин, выбросы отходов в случае пилотируемых аппаратов и т. д.).

В ходе полета космического аппарата концентрация частиц газа у его передней (по направлению движения) и его задней частей различна. У передней части наблюдается зона сгущения (а отсюда и повышенного газового давления), образующаяся в результате сметания газовых частиц передней (лобовой) поверхностью летящего космического аппарата. До соударения с этой поверхностью они имели только так называемую тепловую скорость, т. е. меньшую, чем орбитальная скорость космического аппарата.

Например, для атомов водорода в районе низких орбит искусственных спутников Земли тепловая скорость равна около 1,5 км/с, а в районе геостационарной орбиты – около 2,5 км/с. Напомним, что типичная круговая орбита низколетящих искусственных спутников Земли имеет высоту около 200 км, а геостационарная орбита – 36000 км, и орбитальные скорости здесь соответственно равны около 8 и 3,2 км/с. Отсюда видно, что данный эффект выражен сильнее для низких околоземных (околопланетных) орбит, чем для геостационарной орбиты.

В общем случае максимальное давление частиц газа на лобовую часть космического аппарата может на порядок превышать значение, характерное для данной среды в определенной точке космического пространства, а давление на хвостовую часть – на несколько порядков быть ниже, чем это значение. В зоне сгущения содержатся частицы природной среды, а также частицы «от газовыделений материалов космического аппарата и т. д., в то время как у задней части космического аппарата находятся главным образом частицы этих газовыделений и другие составляющие собственной (искусственной) атмосферы космического аппарата. Протяженность этой области с отсутствием частиц природной среды может в 10 раз превышать характерные размеры космических аппаратов.

В полете космического аппарата лишь малая доля молекул, испаряющихся с его поверхности, будет возвращаться обратно (рис. 2). Это явление характеризуется так называемым коэффициентом возврата Z – отношением потока частиц, возвращающихся в единицу времени на единичную площадку поверхности космического аппарата, к потоку частиц, испаряющихся с нее в единицу времени. Например, Z порядка 10^–3 при давлении насыщенного пара около 10^–4 Па, создаваемом материалом с температурой около 300 К при средней молекулярной массе частиц 30 а. е. м. и средней длине их свободного пробега порядка 10 м. Для частиц с большей средней молекулярной массой Z ≥ 10^–4.

В целом для космического пространства коэффициент возврата не равен нулю, хотя и является достаточно малой величиной. Правда, эта величина несколько увеличивается при очень низких орбитах спутников. Если при высоте орбиты около 1000 км коэффициент возврата порядка 10^–6, то при высоте орбиты около 160 км – 0,5.

Обычно давление газовой среды на поверхность космического аппарата плавно изменяется от зоны сгущения до зоны разрежения (позади космического аппарата). Собственная атмосфера космического аппарата создает давление на его заднюю часть не более 10^–8 Па (согласно измерениям с помощью вакууметров). Основной составляющей этой атмосферы являются молекулы воды, но, кроме этой составляющей, было выявлено свыше 60 различных веществ (в том числе жир от человеческих пальцев, частицы силоконовых жидкостей и т. д.).

Во время полета пилотируемого космического аппарата на низких орбитах на его поверхности образуется мономолекулярный (толщиной в одну молекулу) слой в течение нескольких секунд. Для непилотируемых космических аппаратов скорость газовыделения, а следовательно, и образования (конденсации) такого слоя а 200 раз меньше. Естественно, концентрация частиц газовыделения уменьшается с увеличением расстояния от поверхности космического аппарата, однако это уменьшение различно для разных высот орбиты. Так, например, начальное значение концентрации этих частиц уменьшается на порядок на расстоянии 0,1 м от поверхности космического аппарата при высоте околоземной орбиты высотой 100 км и на расстоянии 2 м – при высоте орбиты 500 км.

Если известна скорость газовыделения материалов космического аппарата, можно получить оценку давления частиц газа внутри негерметического аппарата. В общем случае для этого используются расчеты на ЭВМ с учетом количества отсеков космического аппарата, их специфических соединений друг с другом, природы и температуры выделяющихся газов, состава и состояния собственной атмосферы космического аппарата, температуры поверхностей внутренних отсеков и т. д.

Практическое применение космического вакуума. Большой научный и практический интерес представляет собой использование космического вакуума в различных процессах космической технологии, а также при проведении разнообразных экспериментов на борту космического аппарата, требующих одновременного воздействия микрогравитации и высокого или сверхвысокого вакуума, либо только одного (экстремально высокого) вакуума.

К подобным технологическим процессам относится изготовление сверхчистых материалов, а также тонкопленочных солнечных элементов (методами осаждения паров или ориентированного роста кристаллов – эпитаксии) в условиях высокого вакуума. В ходе экспериментов на борту космических аппаратов с использованием космического вакуума можно решать весьма обширный круг задач: исследовать физические свойства поверхности твердого тела (в частности, полупроводника), изучать взаимодействие различных молекулярных газов, а также ионных потоков с поверхностью твердого тела, проводить химический анализ поверхности и т. д.

В настоящее время даже среди специалистов широко распространено мнение о том, что использование космического вакуума в экспериментах, проводимых на борту, скажем, орбитальных станций, не представляет собой большой сложности, поскольку именно в условиях космического вакуума движутся орбитальные станции. В действительности, однако, использование космического вакуума является не столь уж простым делом и требует применения специальных методов, способствующих созданию необходимых глубины вакуума и скорости газовыделения бортовых установок.

Можно выделить три основных способа использования космического вакуума: в качестве «насоса» для откачки вещества из бортовой вакуумной камеры; в качестве вспомогательного «насоса» для предварительной откачки с последующим применением автономных насосов для создания высокого и сверхвысокого вакуума; в качестве «насоса», снабженного специальным защитным устройством (или просто – защитой), препятствующим «контакту» с космическим вакуумом, имеющим худшие характеристики (например, в зоне сгущения около лотовой поверхности космического аппарата).

Для проведения достаточно простых экспериментов с космическим вакуумом можно с успехом воспользоваться первым из перечисленных способов. Так, например, поступили при проведении экспериментов на борту американской орбитальной станции «Скайлэб». Из находящейся на ее борту сферической вакуумной камеры диаметром 0,4 м (объемом 32 л) отходила трубка диаметром 0,1 м и длиной 0,3 м, которая через шлюзовой затвор выходила в открытый космос. Соответствующей ориентацией орбитальной станции можно было добиться, чтобы отверстие трубки выходило в сторону, противоположную орбитальному движению, где, как известно, имеется зона разрежения в газовой среде, окружающей космический аппарат.

Расчеты показывали, что использование космического вакуума в качестве «насоса» позволяет получать достаточно низкое рабочее давление в такой вакуумной камере, равное для молекул водорода 6,65·10^–5 Па. Такое значение рабочего давления и было достигнуто в ходе экспериментов на борту станции «Скайлэб», однако для проведения экспериментов с плавлением металлов газовыделение в рассматриваемом типе вакуумной камеры может повысить давление примерно до 5·10^–3 Па.

Применение дополнительных автономных насосов способно понизить рабочее давление в бортовой вакуумной камере примерно в 20 раз, т. е. до значения 2,5·10^–4 Па, а в случае криогенных автономных насосов – и до еще более низкого значения. Правда, для этого требуется предварительное обезгаживание всех компонентов вакуумной установки на Земле.

При предварительном прогревании вакуумной камеры, как это обычно делается при получении сверхвысокого вакуума в земных лабораториях, скорость газовыделения может быть снижена примерно в 100000 раз, а предельное рабочее давление в камере – до 7·10^–10 Па.. Однако еще более существенное понижение рабочего» давления (до значения порядка 10^–12 Па), видимо, возможно будет лишь с помощью специальных устройств «теневой» защиты.

Как полагают, такое устройство будет представлять собой полусферическую оболочку (рис. 3), ориентированную так, чтобы открытая часть полусферы была направлена в сторону, противоположную направлению скорости движения космического аппарата. При этом внутренняя часть полусферы экранируется от «набегающего» газового потока. Само устройство может располагаться либо на штанге, выдвигающейся из космического аппарата на расстояние до 100 м (рис. 4), либо размещаться на автономно летящих непилотируемых космических платформах (рис. 5).

На высотах полета низколетящих искусственных спутников Земли доминирующей составляющей земной атмосферы является атомарный кислород с относительно высокой концентрацией (порядка 10¹⁵ м^–3). Следовательно, нижняя атмосфера Земли состоит главным образом из химически активного газа, что, по-видимому, не позволит получать материалы высокой чистоты в технологических экспериментах без использования соответствующих защитных устройств. Да и на больших высотах полета, где атмосфера более разрежена, а атмосферный газ более инертный (главная составляющая здесь – гелий), также требуется защитное устройство из-за наличия загрязняющих газов, источником которых является сам космический аппарат.

Кстати, для рассмотренного ранее защитного устройства принята полусферическая форма, характеризуемая минимальным отношением площади внутренней поверхности к объему, что как раз необходимо для снижения воздействия загрязняющих газов. Кроме того, в случае сверхчистой (негазовыделяющей) защиты полусферическая форма эффективно защищает экспериментальную зону от молекул, находящихся по ходу движения космического аппарата, и даже от молекул, которые благодаря своей тепловой скорости могли бы догнать космический аппарата и попасть в экспериментальную зону (чтобы последнее не происходило, требуется, чтобы орбитальная скорость намного превышала тепловую скорость частиц газовой среды).

Расчеты показывают, что поток частиц, сталкивающихся с внутренней поверхностью защитного устройства, должен состоять преимущественно из атомов водорода и по порядку величины соответствовать потокам газа в земных лабораторных вакуумных установках с рабочим давлением 6,65·10^–13 Па. Надо сказать, что имеются четыре основных источника, определяющих суммарную концентрацию газовых частиц внутри защитного устройства: составляющие земной атмосферы, продукты газовыделения внутренней поверхности защиты, продукты газовыделений деталей эксперимента, продукты газовыделения стенками космического аппарата.

При размещении защитного устройства на непилотируемых космических аппаратах (например, на пассивных гравитационно стабилизированных космических платформах) можно избежать ряда загрязнений, присущих пилотируемым космическим аппаратам. Кроме того, в этом случае становится возможным осуществлять длительное (в течение месяцев) предварительное прогревание для обезгаживания частей космического аппарата, находящихся в космическом вакууме.

ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ВАКУУМА НА ЭЛЕМЕНТЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Общие сведения. Главной особенностью космического пространства является его способность к «поглощению» неограниченного количества газов и паров, которые могут выделяться с космического аппарата в открытый космос. Следовательно, массопотери являются первейшим и наиболее характерным видом воздействия космического вакуума на материалы и элементы устройства космических аппаратов. Особенностью массопотерь в космосе является то, что из общего числа газовых частиц, улетающих (испаряющихся) с поверхностей космического аппарата, весьма мало возвращается к этим поверхностям. Это явление характеризуется, как уже говорилось, коэффициентом возврата Z.

В условиях космического вакуума испарение поверхностных слоев материалов космического аппарата (металлов, неметаллов и т. п.) происходит весьма эффективно в процессе сублимации – при переходе молекул и атомов вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Именно такой переход характерен для вакуумных условий. Этот процесс сопровождается такими последствиями, как потеря массы материалами, нарушение их поверхностных свойств и т. д.

Скорость сублимации зависит от состояния поверхности (поверхностных напряжений, загрязнения) и многих других факторов, расчеты ее очень сложны и имеют точность до порядка величины явления, происходящего в действительности в космосе. А ведь всегда требуется более точное знание этих скоростей, и поэтому их оценку осуществляют экспериментально в земных лабораториях, где моделируются условия космического вакуума.

В результате сублимации в том числе изменяется шероховатость поверхности, в частности терморегулирующих покрытий космического аппарата, что приводит к ухудшению оптических характеристик поверхности.

В космическом пространстве одновременно с вакуумом на материалы воздействуют электромагнитные и корпускулярные излучения космоса. Поскольку энергия связи материалов может быть более низкой, чем энергия квантов или частиц соответствующих видов излучений, то совместное воздействие вакуума и космических излучений может усиливать эффект сублимации¹. Это особенно следует учитывать для таких материалов, которые весьма интенсивно поглощают излучение (например, терморегулирующих покрытий из оксидов железа и цинка, интенсивно поглощающих ультрафиолетовое излучение).

¹ Одновременное воздействие различных физических условий космоса (синэргетическое воздействие) является предметом современного изучения космического материаловедения.

К характерным результатам воздействий космического вакуума относится и ряд других необычных поверхностных явлений. В первую очередь возрастает эффективность адгезии и когезии – процессов, вызванных межмолекулярным взаимодействием и приводящих к прилипанию и сцеплению материалов на поверхности. Эти процессы увеличивают трение и износ материалов, изменяют оптические и механические характеристики поверхности, приводят к распылению поверхности набегающими потоками ионов и нейтральных газовых частиц и т. д.

Космический вакуум является и причиной различных специфических объемных теплофизических и электрофизических явлений. Это, во-первых, касается характера теплообмена, когда практически отсутствуют теплопроводность и теплопередача конвекцией (любая теплопередача в космосе затруднена). Преимущественный тип теплообмена в космосе – это теплообмен излучениями.

Хотя наличие космического вакуума обеспечивает естественные защитные условия от возникновения различного рода электрических пробоев и разрядов в электрических цепях (так называемая вакуумная изоляция), однако процессы массопотерь (испарение, десорбция) могут в местах расположения электрических цепей вызвать условия, способствующие возникновению электрических пробоев и разрядов в парах и газах, к появлению поверхностных токов утечки. Это приводит к повреждению электрических цепей бортовых приборов и нарушению их нормального функционирования.

К числу других отрицательных воздействий космического вакуума можно отнести возможность утечки газов и паров как через неплотности в конструкциях, так и путем проникновения через стенки космического аппарата, изменение механических характеристик материалов и т. д. Однако основными и наиболее существенными воздействиями космического вакуума являются массопотери, адгезия, трение в вакууме, а также некоторые тепло- и электрофизические явления.

Явления на межмолекулярном уровне. Любое вещество или материал, помещенные в вакуум, испускают газы, т. е. происходит газовыделение материалов, о котором уже говорилось ранее. В общем случае газовыделение в вакууме складывается из трех отдельных процессов: десорбции газа, адсорбированного на поверхности твердых тел; диффузии и десорбции газа, абсорбированного твердым телом; испарения (сублимации) жидкости (твердого тела). При газовыделениях реальных тел эти процессы протекают одновременно и накладываются друг на друга (рис. 6). В табл. 2 приведено характерное время (t_m) образования мономолекулярного слоя на поверхности твердого тела при выделении (десорбции) адсорбированных им молекул воздуха.

Зависимость времени образования мономолекулярного слоя для различных давлений (p)
и различных значений коэффициентов прилипания (α)

t_m, с	α	p, Па
2,5	1,0	~10^–4
2,5·10³	0,1	~10^–6
2,5·10⁴	1,0	~10^–8
2,5·10⁷	0,1	~10^–10

Важно отметить, что скорости газовыделения в этих процессах ограничены определенным интервалом значений. Так, например, когда давление насыщенных паров испаряющегося вещества близко к парциальному давлению паров этого вещества, скорость газовыделения стремится к нулю, и наоборот, когда парциальное давление пренебрежимо мало, эта скорость близка к максимальному значению. В случае чистых (однокомпонентных) веществ количество испаряющегося (сублимирующего) вещества пропорционально увеличивается со временем. Для многокомпонентных же веществ картина существенно усложняется, и процесс испарения (сублимации) уже не подчиняется такой зависимости.

В реальном космическом вакууме процесс массопотерь нередко сопровождается химическими превращениями (например, окислением), и тогда скорость газовыделения будет определять уже не общее давление газовой среды, а парциальное давление кислорода.

В космическом вакууме встречаются условия, при которых поверхности твердых тел становятся весьма чистыми (вплоть до атомночистых¹). Данное обстоятельство может реализовываться в различных процессах: при десорбции адсорбированных газовых пленок с поверхности твердых тел; при разрушении и удалении окисных пленок в результате трения или при непосредственном контакте твердых тел, а также в результате некоторых химических и физико-химических процессов.

¹ Атомночистыми условно называются поверхности, у которых на 1000 атомов основного вещества встречается один посторонний атом (загрязнения).

Эффективность всех этих процессов повышается вследствие увеличения температуры в зоне контакта твердых тел из-за ухудшения теплопередачи в космическом вакууме, а также вследствие присутствия различных космических излучений, действующих на поверхностные слои твердых тел.

Надо сказать, что восстановлению защитных окисных пленок в условиях космического вакуума препятствует ряд факторов, и в первую очередь незначительное содержание кислорода, а иногда и полное его отсутствие в космическом вакууме. В результате возрастает адгезия (прилипание) веществ и материалов, в частности когезия, а при наличии больших пластических деформаций (например, вследствие трения) могут происходить заедание и холодная сварка² в точках контакта.

² Сварка называется холодной в отличие от обычной («горячей»), ибо происходит при пониженных (по сравнению с обычными) температурах.

Вспоминается такой опыт. В лабораторную установку сверхвысокого вакуума были помещены две одинаковые металлические шестеренки, введенные между собой в зацепление. Когда эта пара была приведена во вращение при рабочем давлении в установке порядка 10^–6 Па, то уже через непродолжительный промежуток времени стали ощущаться какие-то неполадки. После вскрытия вакуумной камеры обнаружилось, что вместо двух одинаковых шестеренок имеются два гладких валика (совершенно без зубьев) различных диаметров. Виновником оказалась холодная сварка, когда зубья с одной шестеренки срезались и заполняли собой впадины у другой шестеренки.

При адгезии в результате межмолекулярного взаимодействия возникает связь между поверхностными слоями двух разнородных твердых тел, когда они соприкасаются друг с другом. Частным случаем адгезии является когезия, когда соприкасающиеся тела являются одинаковыми. Адгезия значительно усиливается при полном контакте по всей площади соприкосновения, и именно это объясняет холодную сварку металлов.

Многие металлы при контактных взаимодействиях и в случае удаления защитных пленок с их поверхностей подвержены холодной сварке в космическом вакууме. Особенно это свойственно тем металлам, которые способны (по крайней мере частично) к образованию твердого раствора или сплава. Примером здесь могут быть металлы, обладающие кристаллической решеткой кубического типа.

Следует отметить, что адгезии металлов в вакууме препятствует явление адсорбции остаточных газов на контактирующих поверхностях твердых тел. Адсорбирующиеся на чистых поверхностях остаточные газы (особенно кислород и этилен) способствуют снижению эффективности действия сил, вызывающих адгезию.

Основной механизм трения в вакууме (при отсутствии смазочных пленок) – это адгезия очень малых контактных поверхностей с последующим разрушением образованных при этом адгезионных мостиков связи при сдвиге одной поверхности относительно другой. При атмосферном давлении поверхностные пленки (в частности, окисные пленки на металлах) уменьшают число и прочность адгезионных связей, снижая тем самым коэффициент трения.

Чрезвычайно низкая скорость восстановления поверхностных пленок в космическом вакууме за счет окисления, вызванная очень низким содержанием кислорода в окружающей среде, увеличивает трение и способствует большему износу материалов. На рис. 7 показана скорость восстановления окисной пленки на железе в зависимости от продолжительности пребывания в вакууме. Очевидно, что в условиях сверхвысокого вакуума (при давлении менее 10^–9 Па) восстановление окисных пленок требует внушительных промежутков времени (сутки, месяцы). На рис. 8 показана зависимость коэффициента трения от давления окружающей среды при трении скольжения алмаза по алмазу. Отметим, что критические условия устанавливаются в области давлений 10^–5 – 10^–6 Па.

Последнее касается случая «открытых» узлов трения. В случае же «закрытых» узлов трения (например, шарикоподшипников и т. п.) в них следует ожидать появления локального «микроклимата» в рабочей зоне трения, что в ряде случаев приводит к более слабому трению при работе узла в космическом вакууме. Для ослабления трения используется целый арсенал смазочных материалов: жидкие и консистентные, но чаще всего так называемые «сухие» смазки на основе дисульфида молибдена, пленок металлов и т. п.

Теплофизические и электрофизические явления. Как уже отмечалось, в космическом вакууме передача тепла происходит только путем лучистого теплообмена и практически отсутствует теплообмен за счет конвекции и теплопроводности среды. Передача тепла за счет теплопроводности затруднена даже через соприкасающиеся между собой части космического аппарата, поскольку из-за шероховатости поверхностей на них имеется множество микронеровностей с вакуумными промежутками между ними.

На околоземной орбите теплопередача за счет теплопроводности газа все же имеет место не в столь разреженной среде земной атмосферы. Однако на достаточно высоких орбитах, в более разреженных слоях, теплопроводность воздуха сильно уменьшается с понижением атмосферного давления. Например, при давлении порядка 10^–2 Па теплопроводность воздуха равна 0,01% теплопроводности воздуха на уровне моря (при так называемом нормальном атмосферном давлении).

Вообще говоря, из кинетической теории газов известно, что теплопроводность газа в широком диапазоне не зависит от давления. Но когда средняя длина свободного пробега молекул газа становится больше характерных размеров системы (т. е. космического аппарата), теплопроводность начинает пропорционально уменьшаться с уменьшением давления. Затем наступает молекулярный режим теплопередачи, когда теплопроводность газа является пренебрежимо малой величиной.

Теплообмен между газовой средой и твердой поверхностью характеризуется так называемым коэффициентом аккомодации тепловой энергии, который существенно зависит от состояния поверхности. Этот коэффициент сильно различается при отсутствии и, наоборот, наличии адсорбированных, окисных или других подобных пленок на поверхности космического аппарата; например, для гелия на «чистом» вольфраме коэффициент аккомодации тепловой энергии равен 0,017, а на вольфраме с адсорбированной пленкой – 0,5. Поэтому от того, есть или нет такая пленка на поверхностях, зависит также тепловой режим космического аппарата.

Таким образом, массопотери и газовыделение материалов космического аппарата в космическом вакууме существенно изменяют свойства, связанные с теплофизическими характеристиками материалов. Претерпевают изменения и диэлектрические характеристики материалов, в частности электропроводность.

На поверхностях диэлектриков в космическом пространстве могут накапливаться значительные электрические заряды, что способствует возникновению разрядов между токонесущими частями. Наиболее опасной зоной давлений для этого является интервал значений 1 – 100 Па. Кроме того, электропроводность поверхностных слоев (в зависимости от их физического состояния) может приводить к поверхностным токам утечки.

Когда процессы ионизации отсутствуют и каждая молекула газа остается электрически нейтральной, газ в целом является совершенным изолятором, и в этом случае ток в межэлектродных промежутках всегда отсутствует. При приложении высокого напряжения некоторые электроны начинают вырываться из атомов молекул и в какой-то момент существуют самостоятельно в межэлектродном промежутке, пока не попадут на электроды или пока не встретятся с другой молекулой (атомом) и в результате рекомбинируют. Если при этом носители тока (электроны) образуются чаще, чем исчезают (рекомбинируют), то газ в межэлектродном промежутке становится электропроводящим.

На рис. 9 представлены зависимости напряжения электрического пробоя от величины произведения давления газа на межэлектродное расстояние, известные как графические отображения закона Пашена (кривые Пашена). Эти кривые лишь качественно иллюстрируют явление, поскольку реальная такая зависимость во многом определяется площадью поверхности и материалом электродов. Помимо этого при испарении с последующей конденсацией вещества на более охлажденных участках неизолированных электрических цепей в космическом вакууме возникают токи утечки, тем самым нарушая режим работы электронных схем.

К числу условий космической среды, способствующих возникновению разрядов и пробоев в бортовых приборах космического аппарата, следует отнести также наличие различных космических излучений (как электромагнитных, так и корпускулярных).

Таким образом, при эксплуатации электронного и электротехнического оборудования космических аппаратов в условиях космического вакуума появляются токи утечки, разряды, пробои и другие нежелательные электрофизические явления. Поэтому для нормальной эксплуатации электронные блоки и узлы космического аппарата обычно прикрывают полугерметичным экраном («закрытые» узлы), который, помимо прочего, защищает их и от воздействия космических излучений и обеспечивает лучший тепловой режим.

Правда, следует сказать, что при работе аппаратуры в космическом вакууме будет также понижаться и давление в полости под такими экранами, и в некоторый момент оно может достичь уровня 1 – 100 Па, соответствующего минимуму кривой Пашена (см. рис. 9). Если в этот момент в составе бортовой аппаратуры имеются включенные высоковольтные межэлектродные промежутки, то в них могут возникать пробои и разряды, опасные для работы всей аппаратуры в целом.

К сожалению, расчеты условий пробоя в полугерметичных полостях затруднены тем, что неопределенной является конфигурация каналов миграции газов в космическом вакууме, а кроме того, одновременно могут существовать испарения газовых частиц различной природы. В настоящее время надежно оценить работоспособность электронных схем и электрических устройств космического аппарата можно лишь экспериментально, используя лабораторные вакуумные установки.

Рассмотренные здесь различные явления, список которых можно было бы продолжить, иллюстрируют собой отрицательное воздействие космического вакуума. Однако надо подчеркнуть, что условия космического вакуума могут нести и полезную службу. Ранее уже говорилось об использовании космического вакуума в качестве своеобразного «насоса» для откачки вещества из вакуумных установок. Кроме того, космический вакуум существенно облегчает создание надувных и вспенивающихся конструкций в космическом пространстве, управление положением и стабилизацией космических аппаратов (на основе диффузионных и сублимационных процессов) и т. д.

Космический вакуум и материалы космических аппаратов. От длительного пребывания в космическом вакууме также заметно меняются механические (объемные и поверхностные), оптические и другие характеристики материалов космических аппаратов. При предельно низких давлениях в космическом вакууме наружные и внутренние поверхности раздела в материалах могут нарушаться, в результате возникают либо микроскопические поверхностные трещины, либо внутренняя (так называемая интеркристаллитная) коррозия.

Надо сказать, что объемно-механические свойства материалов (усталостная прочность и т. д.) претерпевают изменения и вследствие изменений свойств поверхностных слоев. Причем ощутимое воздействие космического вакуума на механические свойства материалов космических аппаратов возникают в результате отсутствия окисных и других поверхностных защитных пленок.

Вследствие исчезновения защитных газовых и окисных пленок, а также в результате сублимации поверхностных слоев на толщину, близкую к длинам волн электромагнитного излучения, равным 300 – 1000 нм, меняется шероховатость поверхностей и как следствие их оптические характеристики (в частности, степень поглощения солнечного излучения и степень черноты). Причем органические краски подвержены таким изменениям в большей степени, чем неорганические.

Об ухудшении этих оптических свойств материалов свидетельствуют и многочисленные эксперименты, проводимые как в космосе, так и в земных лабораториях. Например, лабораторные исследования указывают, что при действии ультрафиолетового излучения с длиной волны около 220 нм на некоторые терморегулирующие покрытия при давлении порядка 10^–6 Па белые покрытия уменьшают свою отражательную способность.

Кроме того, при движении космического аппарата в солнечном ветре или водородной короне Земли водородные ионы способны проникать в поверхностные слои материалов. В результате последние обогащаются водородом (при насыщении до 10%), что также вызывает изменение оптических характеристик материалов.

При орбитальном движении в достаточно плотных слоях верхней атмосферы Земли, а также под действием бомбардировки заряженными частицами космической радиации может происходить сильное плазмохимическое разрыхление материала поверхностей космических аппаратов и его распыление в окружающее пространство. Этот процесс особенно проявляется для передних (по ходу движения) частей космических аппаратов. Правда, слой распыленного материала обычно мал и не превышает в толщине 5 – 40 нм в год.

Воздействие космического вакуума на материалы, естественно, учитывается при выборе материалов для космических аппаратов. В общем случае при конструировании космических аппаратов, их систем и приборов используются материалы достаточно легкие, прочные, радиационно стойкие и имеющие низкое газовыделение. Кроме того, к материалам для пилотируемых космических аппаратов предъявляются дополнительные требования по невозгораемости и нетоксичности. Для материалов некоторых космических аппаратов требуется также коррозионная стойкость и отсутствие магнитных свойств.

Наиболее часто в качестве материалов для космических аппаратов, их узлов и блоков используются алюминиевые и в меньшей степени титановые сплавы. Магниевые сплавы, хотя и более легкие, чем алюминиевые, однако менее предпочтительны, так как обладают меньшей коррозионной стойкостью. Эти и некоторые другие недостатки магниевых сплавов не исключают полностью их использование для космических нужд.

Сталь, хотя она и в три раза более тяжелая, чем алюминиевые сплавы, тем не менее может быть сравнима с ними по удельным прочностным характеристикам. Обычно используются нержавеющие стали (хромоникелевые), причем предпочтение отдается немагнитным аустенитным формам. Углеродистая сталь, пассивированная кадмиевым покрытием, менее предпочтительна, поскольку в космическом вакууме наблюдается рост «усов» из кадмия, фрагменты которых, перемещающиеся в невесомости, могут попасть на электрические цепи и вызывать их замыкание.

Широко используется в конструкциях космических аппаратов сотовая панель в виде сэндвича. Она образуется двумя тонкими листами алюминиевого сплава («кожа»), между которыми помещены гексагональные ячейки (соты), изготовленные из фольги, а также алюминиевого сплава. Сотовые ячейки склеиваются между собой, и приклеиваются к «коже» синтетической смолой. Стенки ячеек перфорированы, для того чтобы дать выход газам изнутри панели. Однако такой конструктивный элемент, несмотря на его легкость и сравнительную прочность, является источником большего газовыделения, чем обычный плоский металлический лист.

Широко также используются неметаллические композиционные материалы, такие, например, как угольный стекловолоконный слоистый пластик. Скорости газовыделения у таких материалов примерно такие же, как у любых других материалов, содержащих около 50% эпоксидной смолы. Для таких материалов весьма нежелательно их насыщение влагой, однако этого можно избежать, если хранить изделия в сухом газе (например, азоте).

Наконец, в конструкциях космических аппаратов широко используются разнообразные полимерные пластики, в том числе алюминированные пластиковые (майларовые) фольги, краски на полимерной основе, эластомерные уплотнения из фторуглеродной резины типа «Витон» и т. д. Среди других неметаллических материалов используют, например, керамические теплоизолирующие облицовочные плитки (для уменьшения нагрева космического аппарата при входе в плотные слои атмосферы), стеклянные керамики и т. п.

Встречающимся в космических аппаратах разнообразным механизмам (приводам солнечных панелей, антенн, инструментальных штанг и др.) приходится работать в космическом вакууме. Поскольку обычные масла я смазки здесь не пригодны, то за последние годы были разработаны специальные твердые смазки на основе дисульфида молибдена и олеофильного углерода, а также применен для этой цели ионно-напыленный свинец.

Кроме того, были разработаны собственно подшипниковые композитные материалы на основе сложных стекловолоконных политетрафторэтиленов, угольных слоистого стекловолоконного полиацетата и полиамида. Шарикоподшипники с твердыми смазками, например, свыше 7 лет непрерывно проработали в лабораторных вакуумных установках, а также успешно эксплуатировались в космическом вакууме.

Лабораторное моделирование космического вакуума. Ранее неоднократно отмечалось, что часто оценить воздействие космического вакуума на материалы космических аппаратов удается только при моделировании космического вакуума в земных лабораториях. Следует отметить, что моделирование отличается от имитации, когда тождественно воспроизводятся космические условия. В случае лабораторного физического моделирования условия могут существенно отличаться от действительных, смещаясь в сторону менее жестких ограничений на параметры среды (например, с использованием более высоких давлений в вакуумных установках, чем в космическом вакууме).

Главная цель такого моделирования – определить реакцию исследуемой космической системы на воздействия условий космического пространства. При лабораторном (физическом) моделировании параметры вакуумной установки варьируются экспериментатором по желанию, в то время как при имитационных, так и в космических экспериментах эти параметры предопределены и жестко фиксированы. Тем не менее закономерности, выявленные в результате лабораторного моделирования, позволяют ориентировочно прогнозировать поведение исследуемой системы в самых разнообразных условиях космического полета.

Воздействие космического вакуума на материалы и элементы конструкций космического аппарата можно условно разделить на следующие виды: механические, теплофизические, электрофизические и воздействия на межмолекулярном уровне. Последние три вида воздействий обязательно требуют использования вакуумных условий при моделировании. При этом если для объемных теплофизических и электрофизических воздействий важным параметром является концентрация частиц в объеме, то для поверхностных воздействий на межмолекулярном уровне – поток частиц, падающий на поверхность (или исходящий от нее).

Многообразие физических условий в космосе, а также изучаемых процессов требует дифференцированного подхода при выборе различных условий и параметров лабораторного моделирования: параметров вакуумных установок (давления, производительности систем откачки и т. д.); типов и систем откачки (внешней системы, внутренней, «масляной», «безмасляной» и т. д.); способов моделирования (вакуумного или комплексного); конструкции установок и т. д.

Конечно, в земной лаборатории нельзя воспроизвести все многообразие условий космической среды, в частности, такие ее характеристики, как низкая концентрация частиц газа (менее 2,7·10²⁵ м^–3); широкий интервал скоростей воздействующих частиц (10² – 10⁶ м/с); низкий коэффициент возврата (10^–4 – 10^–6); неограниченная «поглощаемость» вещества космическим пространством; существование самого разнообразного комплекса излучений (в том числе и корпускулярных).

Однако, как оказалось, для всех без исключения процессов и явлений, характерных для космического вакуума, существует свой определенный граничный интервал значений давления среды. Это обстоятельство позволяет использовать в качестве основных критериев моделирования ограниченные интервалы давлений. В табл. 3. приведены некоторые типы моделирования воздействий космического вакуума с характерной областью давлений для каждого из этих типов моделирования.

Обычно при конкретном типе моделирования одно из этих ограничений на давление рассматривают как общее условие, а остальные ограничения, а также некоторые дополнительные факторы (низкий коэффициент возврата, большая скорость откачки, превышение средней длины свободного пробега молекул над характерным размером вакуумной камеры) – как вспомогательные условия. Поскольку для изучения механических воздействий космического вакуума общим условием является перепад давления на величину порядка 10⁵ Па, то в этом случае вообще не обязательно проводить испытания в вакуумной камере (достаточно, чтобы соблюдался заданный перепад давления).

При моделировании воздействий космического вакуума может исследоваться какой-либо конкретный процесс (явление) или ряд частных процессов, когда проводятся комплексные вакуумно-температурные испытания отдельных узлов космического аппарата или его в целом. И в том и в другом случае моделирование воздействий космического вакуума основано на некотором минимально возможном рабочем давлении для исследуемых процессов. Эти ограничения на рабочее давление, собственно, и являются основными критериями моделирования, которые в первом случае называются частными, а во втором главным критерием (т. е. при комплексных испытаниях).

Кроме того, при моделировании воздействий космического вакуума, помимо частного или главного критерия, касающегося значения рабочего давления, требуется соблюдать и другие специфические условия (коэффициент возврата и т. д.). Особое внимание необходимо обращать на недопустимость загрязнения газового состава в вакуумной камере парами рабочих жидкостей (например, насосов) и органическими продуктами, которых нет в космическом вакууме.

Следует отметить, что частный критерий моделирования не всегда определяется ограничениями на рабочее давление, указанными в табл. 3. Если в качестве главного критерия обычно достаточно использовать рабочее давление в камере порядка 10^–6 – 10^–7 Па, то при исследовании того или иного частного процесса порою принципиально важным является изучение этого процесса при переменном давлении. В такой ситуации частным критерием будет наинизшее из этого интервала давлений, и оно, естественно, не всегда совпадает с пороговым значением давления, указанным в табл. 3.

Ограничение на рабочее давление при моделировании различных физических явлений в космическом вакууме

Дело в том, что некоторые типы воздействия космического вакуума не всегда представляют собой стабилизированный процесс при более низких (или более высоких) давлениях, чем их пороговое значение (хотя многие из исследуемых параметров, как правило, в этом случае стабилизируются). Исследования в режиме переменного давления (их называют экспериментальными в отличие от аналитических – при соблюдении определенного давления) позволяют прогнозировать характер протекания процесса в космическом вакууме, в том числе и при других значениях исследуемых параметров, отличных от моделируемых.

Моделирование воздействий космического вакуума может проводиться с использованием и других вспомогательных режимов: переменности температурных условий и времени протекания исследуемого процесса. Надо сказать, что характерные времена ряда процессов (массопотерь, фрикционных и др.) в космическом вакууме порою весьма значительны (несколько месяцев или лет). Поэтому часто бывает желательным ускорить тот или иной процесс при его лабораторном моделировании.

Ускорение моделируемого процесса может достигаться за счет повышения температуры (но в пределах теплостабильности материалов), давления и потока газов. Однако следует сказать, что во многом рассматриваемые здесь вопросы моделирования космического вакуума носят лишь предварительный характер и требуют еще своей проработки. В частности, это касается и проблемы ускорения моделируемых процессов. Пока здесь намечены только некоторые подходы к ее решению.

Общим требованием к методам ускорения моделируемого процесса является стационарность его протекания, поскольку только в этом случае можно экстраполировать закономерности, выявленные при моделировании, на реальный процесс, протекающий в условиях космического вакуума. В частности, согласно этому требованию минимальная продолжительность вакуумных испытаний должна несколько превышать время становления (релаксации) исследуемого процесса (или явления).

К сожалению, определение времени релаксации какого-либо частного процесса затруднено рядом причин. Релаксация процесса может быть связана не только с непосредственными условиями космического вакуума, но и определяться локальными условиями, существующими в достаточно «загазованных» полугерметических объектах (например, в рабочих зонах шарикоподшипников). Кроме того, требуется дифференцированный подход при рассмотрении каждого процесса в отдельности, в частности, при моделировании массопотерь необходимо раздельно рассматривать процессы десорбции, испарения, сублимации, диффузии и т. д.

В заключение познакомимся с некоторыми типами вакуумных установок, использующихся при моделировании воздействий космического вакуума. Основными элементами всех этих установок являются вакуумные и криогенные системы, а также имитаторы электромагнитных излучений Солнца, Земли и других источников. Как уже указывалось, исследованиям и испытаниям в установках, моделирующих некоторые воздействия космического вакуума, могут подвергаться не только отдельные материалы, узлы и элементы космических аппаратов, но и сами эти аппараты целиком.

Начнем рассмотрение с установок тепловакуумных испытаний (рис. 10, а), предназначенных, собственно говоря, для исследования лишь одного параметра – температуры. На основании результатов таких испытаний методами математического моделирования проводятся затем расчеты температур, свойственных различным частям космического аппарата при его разных положениях на орбите (при прохождении через тень Земли, при разных ориентациях относительно Солнца, Земли и т. д.).

В ходе этих испытаний, проводимых последовательно сначала на прототипах, а затем на летных вариантах космического аппарата с полным функционированием всех его систем, тепловая модель космического аппарата доводится до приемлемых температур изделий (обычно в пределах 283 – 300 К). Рабочее давление в установках для тепловакуумных испытаний порядка 10^–3 – 10^–4 Па.

Более низкое рабочее давление свойственно установкам вакуумно-температурных испытаний (рис. 10, б), когда исследуется функционирование космических аппаратов в, экстремальных температурных режимах (обычно в интервале 200 – 360 К) и при достаточно низких давлениях (менее 10^–6 Па). Как показывает опыт, склонные к отказам элементы космического аппарата с большой вероятностью обнаруживаются в ходе таких испытаний.

Оба рассмотренных типа установок обычно являются достаточно крупногабаритными (объемом порядка 10³ – 10⁵ м³), чтобы в них смогла свободно разместиться основная часть космического аппарата (или он целиком). Недавно появилась возможность сочетать оба типа испытаний в одной и той же установке. В частности, подобная большая моделирующая установка используется в Тулузе (Франция) Европейским космическим агентством.

Помимо установок тепловакуумных и вакуумно-температурных испытаний космических аппаратов существует множество установок специального назначения, в которых исследуются бортовые научные приборы, скафандры и другое снаряжение космонавтов, новые типы космических двигателей, а кроме того, моделируются различные воздействия космического вакуума на системы, элементы и материалы космических аппаратов. К такого рода установкам можно отнести и установки, где хранятся или исследуются образцы лунного грунта.

Как правило, в этих установках специального назначения, помимо космического вакуума, моделируются по крайней мере еще два каких-либо фактора космической среды (радиационное облучение, температурный режим и т. д.). Следует отметить, что установки подобного типа по своим размерам уступают тепловакуумным и вакуумно-температурным и не превышают в объеме 1 – 10 м³.

Проблема стерилизации космических аппаратов. Издавна считалось, что вакуумная среда губительна для всего живого. Так, например, было замечено, что уже при атмосферном давлении, равном половине нормального значения, человек чувствует себя плохо и ощущает определенный дискомфорт. Тем не менее относительно недавно ряд ученых предполагал, что вакуумная среда (в том числе в космосе) не столь уж губительна для некоторых микроорганизмов.

Вопрос о возможности выживания микроорганизмов в космическом вакууме давно и неоднократно поднимался, но особую остроту данная проблема приобрела с наступлением космической эры и с началом освоения человеком Луны и планет Солнечной системы. Ведь в случае выживания микроорганизмов в космосе любые нестерильные космические аппараты, входящие в атмосферу других планет, создают возможность ее загрязнения земными микроорганизмами. Существует и опасность загрязнения атмосферы Земли внеземными микроорганизмами при возвращении космических аппаратов с образцами грунта соседних небесных тел на нашу планету.

Чтобы избежать опасности любого загрязнения, были выработаны и приняты в СССР и США взаимно согласованные нормы для стерилизации космических аппаратов, предназначенных для полетов к другим телам (а тем более для возвращающихся обратно), и разработаны специальные методики ее осуществления. Согласно этим принятым нормам стерилизации космического аппарата вероятность нахождения микроорганизмов на его борту не должна превышать 10^–4.

Одной из надежных процедур, обеспечивающих высокую степень стерилизации, является нагревание (при нормальном атмосферном давлении) спускаемых аппаратов автоматических межпланетных станций. Например, согласно расчетам стерилизация спускаемых аппаратов не превышала принятых норм, если она заключалась в том, что в течение 36 ч части космического аппарата нагревались до температуры 135°С (около 410 К).

Однако процедуры стерилизации должны полностью совмещаться с инженерными и научными требованиями к космическим аппаратам и его элементам. Необходимость в тепловой стерилизации вносила необходимые коррективы в конструирование элементов космического аппарата, чтобы обеспечить надежность их работы (например, определенных типов транзисторов) после соответствующей процедуры нагрева. Все это порождало серьезные инженерные проблемы, уменьшало надежность элементов, снижало ресурс их работы и т. д.

К этим проблемам стерилизации космических аппаратов добавлялась еще одна, которая имела принципиальный характер. Отсутствовала 100%-ная уверенность в эффективности подобного рода стерилизации, поскольку не было ясного поднимания физических механизмов, приводящих к повреждению и гибели микроорганизмов. В частности, специалистов волновали вопросы выживания (или гибели) микроорганизмов не только при высоких температурах и давлениях, но и в условиях космического вакуума.

Последнее стимулировало интенсивное проведение экспериментов по изучению микроорганизмов в условиях высокого вакуума. В ходе этих экспериментов изучалась выживаемость ряда наиболее распространенных видов микроорганизмов при рабочих давлениях 10^–4 – 10^–7 Па в испытательных вакуумных установках, способных безостановочно работать в течение нескольких месяцев. Причем воздействие температур не рассматривалось, и все эксперименты, по-видимому, осуществлялись при температурах не выше комнатной.

Результаты свидетельствовали о том, что лишь небольшое количество исследуемых микроорганизмов могло противостоять более или менее продолжительному воздействию вакуума. Некоторые микроорганизмы выживали и после 10-суточного воздействия вакуума с давлением порядка 10^–5 Па. Однако все микроорганизмы все же погибали после 30-суточного пребывания в вакууме с давлениями 1,5·10^–6 – 8·10^–7 Па.

Позже выяснилось, что наряду с давлением температура также является важнейшим параметром, определяющим жизнедеятельность микроорганизмов в высоком вакууме. Поэтому более эффективными были бы тепловакуумные исследования микроорганизмов, однако и полученные результаты позволяли сделать заключение о том, что любой микроорганизм погибает в космическом вакууме вследствие испарения внутриклеточного вещества.

Таким образом, проведенные эксперименты поставили под сомнение необходимость в стерилизации тех частей космического аппарата, которые должны были продолжительное время пребывать в условиях космического вакуума. Кроме того, полученные результаты заставили усомниться в распространенной несколько лет назад точке зрения, согласно которой источником зарождения жизни на Земле могли быть споры микроорганизмов, занесенные на нашу планету с других миров.

В дальнейшем исследования поведения микроорганизмов в условиях вакуума не прекратились, а даже значительно расширились. Но прежде чем перейти к описанию их результатов, уместно будет кратко рассмотреть, что представляет собой живая материя на примере клетки – простейшей ячейки живого вещества. Кстати, по мнению ряда специалистов, двусмысленные и противоречивые результаты поиска микроорганизмов на Марсе с помощью космических аппаратов «Викинг» были предопределены тем, что при подготовке этого эксперимента американские ученые не обращали особого внимания на специфические особенности живой материи, отличающие ее от неживой природы.

Живая клетка и ее структура. Итак, живая клетка – это хотя и элементарная, но уже достаточно сложная ячейка жизни, которой присущи все характерные черты живой материи. В природе, как известно, существует громадное количество одноклеточных организмов; предполагается, что одноклеточными были и самые первые организмы на Земле, из которых в ходе эволюции впоследствии развились многоклеточные организмы.

Всем живым организмам, в том числе и одноклеточным, для жизнедеятельности необходима энергия, которая поставляется «пищей» и светом. Живой организм использует химическую энергию, которая по своей способности переходить в тепло занимает промежуточное положение между механической и тепловой энергиями. Кроме того, химическую энергию легко превратить в механическую, электрическую, лучистую и тепловую энергии или, наоборот, получить ее из них.

Существенным является то, что химическая энергия способна производить работу в системе с постоянной температурой, а живой организм можно в целом рассматривать приближенно как именно такую систему. Причем все живые организмы действуют подобно энергопреобразователям, в которых посредством специальных веществ – катализаторов (называемых в биологии ферментами или энзимами) химическая энергия превращается в работу: химическую (биосинтез), осмотическую (противостоящую диффузии вещества через полупроницаемую перегородку между растворами), электрическую и механическую.

Чтобы живой организм функционировал нормально, он должен вначале высвободить химическую энергию из молекул «пищи» (или поглотить световую энергию), а затем с помощью этой энергии связать между собой (сопрячь, в терминах биологии) энерговыделяющие и энергопотребляющие процессы. Это сопряжение энерговыделяющих процессов с энергопотребляющими предотвращает накопление тепла в организме. В результате функционирующая живая клетка теряет лишь незначительное количество химической энергии, переходящей в тепло, и это сохраняет в ней условия, характеризующиеся практическим постоянством температуры.

Функции живых клеток, подобно автоматическим химическим машинам, главным образом заключаются в том, чтобы наиболее экономным способом использовать имеющуюся химическую энергию для производства необходимых продуктов жизнедеятельности посредством последовательных химических реакций, а также для воспроизведения себе подобных клеток. Химическая работа (биосинтез) непрерывно осуществляется не только во время роста, но и для поддержания жизнедеятельности взрослого организма. Однако следует подчеркнуть, что проведенная нами аналогия между живым организмом и машиной является в значительной степени условной.

Живая клетка – это молекулярная система, состоящая из двух несмешивающихся фазовых состояний: внутриклеточной водной структуры и границ клетки – мембраны. Мембрана служит как бы клеточной «кожей». Регулируя процессы движения вещества вовнутрь клетки и из нее, она позволяет ей сохранять структуру и функции постоянными, невзирая на изменение условий в околоклеточной среде. С одной стороны, мембрана обеспечивает избирательную проницаемость многих типов молекул вовнутрь клетки, используя различные виды «транспорта»: например, перенос ионов калия и натрия или осмотическое всасывание воды вовнутрь клетки. С другой стороны, мембрана служит и эффектным барьером для неконтролируемого обмена веществ между внутриклеточной и внеклеточной средами.

Мембрана состоит из двойного слоя жироподобных веществ (фосфолипидов), ограниченных с обеих сторон белками (толщина мембраны порядка 10^–8 м или 10 нм). В этом слое длинные концы линейных молекул («хвосты») расположены внутри слоя («хвостом» к «хвосту»), а «головки» молекул торчат наружу (рис. 11). Таким образом, через гидрофильные (легкосмачиваемые) «головки» фосфолипиды соприкасаются с гидрофильной внеклеточной средой (белками, водой). При возникновении некоторого избытка воды в клетке последняя благодаря осмотическому давлению набухает и быстро увеличивается в размере. Это увеличение размеров клетки не может продолжаться долго, в какой-то из моментов мембрана рвется вследствие своей весьма низкой прочности.

В мембране имеются каналы (микропоры) диаметром 0,4 – 0,5 нм, через которые молекулы некоторых веществ (например, молекулы воды, имеющие размеры 0,25 нм) легко проходят в оба направления. Поверхности многих из этих каналов, по-видимому, обладают электрическими зарядами, что обусловливает наблюдаемые различия в скоростях переноса положительных и отрицательных ионов веществ через мембрану и служит одной из причин возникновения так называемых мембранных потенциалов, т. е. электрических зарядов разного знака по обеим сторонам мембраны. Область, прилегающая к наружному слою, называется цитоплазматической мембраной.

Основные носители наследственной информации в клетках всех без исключения живых организмов на Земле – это молекулы дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот. В них «химическим языком» записаны программы синтеза белков, второго по содержанию (после воды) внутриклеточного вещества, которое управляет всей жизнедеятельностью клетки.

По своей структуре молекула ДНК представляет собой двуниточную спираль, состоящую из двух химически идентичных нитей (скрученных подобно жгуту из двух проводов), в которых последовательно чередуются в определенном порядке четыре химических соединения – нуклеотиды. Программа синтеза каждого конкретного внутриклеточного белка, записанная «химическим языком» (ген), заложена в определенной части каждой нити молекулы ДНК (и молекулы РНК).

Клетки живого организма постоянно претерпевают деление, и при этом происходит передача наследственной (генетической) информации от материнской клетки к дочерним. Из каждой двуниточной молекулы ДНК с помощью ферментов синтезируются две дочерние молекулы ДНК, полностью идентичные материнской. Далее, в соответствии с программой, «записанной» в молекуле ДНК, и с помощью линейных молекул РНК и ферментов происходит синтез внутриклеточных белков.

Так, в результате всего этого процесса, называемого редупликацией, из одной материнской клетки образуются две дочерние, каждая из которых содержит генетическую информацию, аналогичную информации, содержавшейся в материнской клетке. Таким образом, в основе жизнедеятельности клетки лежат биохимические процессы, осуществляемые посредством химических веществ, которые непрерывно поступают вовнутрь клетки с водой из околоклеточной среды. С водой же из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности.

У всех без исключения живых организмов каждая клетка почти на 80% состоит из химически связанной и (в меньшем количестве) свободной воды. Даже в наиболее «сухих» образцах живой материи – спорах микроорганизмов, пребывающих как бы в дремотном (анабиотическом) состоянии, сохраняется до 25 – 40% воды. Таким образом, жидкая вода – один из главных компонентов живой клетки. Вода служит универсальным растворителем и средой внутриклеточных взаимодействий.

Важнейшая роль воды в биологических системах обусловлена ее способностью легко образовывать водородные связи, которые, хотя и слабее химических (ковалентных), однако сильнее межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых), действующих в коллоидно-химических системах. Для образования и для разрыва водородных связей достаточно простого теплового воздействия, и нет необходимости в каких-либо катализаторах.

Способность легко образовывать такие водородные связи объясняется особыми физическими и химическими свойствами воды, которые делают ее незаменимым участником всех внутриклеточных взаимодействий. В результате этих взаимодействий возникают специфические насыщенные водой желеобразные внутриклеточные структуры, в которых быстро устанавливается существенно неравновесное динамическое состояние, характерное для жизнедеятельности всех живых систем.

Отдельные участки внутриклеточного пространства также разделены полупроницаемыми мембранами. Их свойства и служат причиной неравномерного распределения веществ, растворенных внутри клетки, и образования внутриклеточных перепадов их концентраций. Жидкая вода свободно движется между этими пространствами в направлении действия осмотического давления, тогда как движение растворенных в ней веществ строго регулируется.

Таким образом, жидкая вода занимает весьма специфическое положение в биологических объектах и вовлечена во все биологические превращения. Как отмечает известный американский биохимик А. Сент-Дьёрди, вода является материальной и матричной основой жизни. Материальной, поскольку живое вещество в значительной степени состоит из воды, матричной, поскольку жизнь зародилась на Земле в жидкой воде и «эта ситуация не изменилась и после того, как жизнь распространилась на сушу и возникли земные виды жизни».

Последнее произошло после того, как жизнь, по образному выражению А. Сент-Дьёрди, научилась брать океан с собой. Интересно отметить, что в своем выражении американский ученый, по-видимому, усматривает не только обилие воды в живых организмах, в частности в человеческом. Дело в том, что имеется определенное сходство между химическим составом крови человека и морской (океанской) воды.

Пределы существования жизни. Проблема определения предельных значений для физических параметров, при которых еще возможно существование живой материи, непосредственно касается рассматриваемой в этом разделе проблемы – возможности выживания организмов в крайне неблагоприятных для этого условиях космического пространства или на ближайших к нам небесных телах (в частности, на планетах и ядрах комет). Прямое отношение поиск предельных параметров имеет к оценкам границ биосферы, а более косвенное – к вопросу о происхождении жизни на Земле.

Экстремальными случаями существования жизни люди интересовались с незапамятных времен, но особенно ученые ими заинтересовались в связи с биологическими экспериментами по поиску живых организмов на Марсе с помощью приборов посадочных модулей космических аппаратов «Викинг». Как известно, попытка обнаружить по крайней мере микроорганизмы на Марсе дала отрицательный результат, хотя и не зачеркнула полностью, по мнению некоторых ученых, возможность существования микроорганизмов в таких экстремальных условиях, которые характерны для Марса.

Последнее, в частности, подтверждается тем обстоятельством, что земные организмы (пока единственная форма жизни во Вселенной, известная нам) способны существовать в самом широком диапазоне физических, химических и физико-химических параметров. Причем известно, что простейшие представители жизни – микроорганизмы – занимают крайние границы существования жизни, или, как говорят биологи, экологические ниши.

В обзорной статье канадского микробиолога Д. Кушнера, опубликованной в сборнике «Кометы и происхождение жизни» (М., Мир, 1984), был подведен итог поискам экстремальных форм жизни по состоянию на середину 70-х годов. Ученый заключает, что микроорганизмы способны расти в самых различных экстремальных условиях: в жидкой воде вблизи температур замерзания и кипения воды, при больших вариациях концентрации водородных ионов в жидкой среде, при самой разнообразной концентрации солей, при интенсивном радиационном облучении (в ядерных реакторах) и т. д.

Д. Кушнер отмечает: «Если не считать утонченных приспособительных признаков, то основные механизмы жизненных процессов, протекающих в экстремальных условиях, по сути являются идентичными механизмам более «нормальной» жизни... Возможно, даже самые «экстремальные» микроорганизмы в принципе не так уж и отличаются от более «нормальных» форм жизни». Как впоследствии оказалось, Д. Кушнер, по-видимому, был недалек от истины. Но прежде чем перейти к научной сенсации, случившейся летом 1977 г., рассмотрим еще несколько результатов, полученных к середине 70-х годов.

В своей статье канадский ученый замечает, что самым жестким фактором, определяющим пределы роста микроорганизмов, является их потребность в жидкой воде. В связи с чем Д. Кушнер указывает, что нижняя температурная граница жизни опускается до 240 К (или даже более низких температур), поскольку точка замерзания насыщенных водных солевых растворов внутриклеточной воды находится гораздо ниже 0°С, или 273 К.

Однако непосредственно во льду рост микроорганизмов уже не происходит, хотя известна их способность сохранять потенцию к жизнедеятельности и к повторному росту после размораживания. Проведенные исследования указывают на возможность «оживления» микроорганизмов и других простейших после их кратковременного пребывания даже в жидком гелии, т. е. при температуре, близкой к абсолютному нулю. Микроорганизмы обнаруживаются в сухих и холодных долинах Антарктиды, где они обитают внутри камней и ими же питаются (так называемые литотрофные микроорганизмы).

Что же касается верхней температурной границы жизнедеятельности микроорганизмов, то она уже давно и уверенно принималась равной около 373 К (100°С), т. е. температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Во всяком случае, микроорганизмы были найдены в сухих и горячих южных пустынях, в стенках ядерных реакторов и т. д. Однако все эти представления изменились, когда в начале второй половины 70-х годов были открыты живые организмы, совершенно необычные для земных форм даже в экстремальных условиях. И это открытие было сделано не на далеком Марсе с помощью космических аппаратов «Викинг», а на нашей Земле.

Летом 1977 г., погрузившись на специальной океанографической подводной лодке «Алвин» в зону разломов земной коры на дне Тихого океана недалеко от Галапагосских островов на глубину около 3000 м, американские ученые обнаружили бьющие из дна источники очень горячей воды (с температурой 730 – 750 К, или, около 360 – 380°С), так называемые гидротермы. Ученые: назвали открытые ими источники «Черные курильщики», видимо, из-за цвета воды, изливающейся из океанского дна.

Существование таких источников сильно перегретой жидкой воды ничего экстраординарного собой не представляет, поскольку вода при таких температурах и должна находиться в жидком состоянии под действием огромных гидростатических давлений, в 300 раз превышающих нормальное атмосферное давление. Самым интересным было то, что в районах выхода столь перегретой жидкости обнаружились пышные оазисы жизни.

Научный мир отреагировал на это открытие самым естественным образом – почти никто в него не поверил. И тогда в район гидротермов отправилась еще одна экспедиция, оснащенная на сей раз более совершенным оборудованием, предназначенным для взятия и транспортировки на поверхность океана в неповрежденном состоянии геологических и биологических проб (от бактерий и взвесей до различных животных и рыб). Эту экспедицию 1979 г. возглавили крупнейшие специалисты из американских университетов и институтов.

Проведенные исследования подтвердили главное – вблизи гидротермов в самом деле кишит жизнь, по крайней мере внешне во многом необычная: крупные моллюски, крабы, двухметровые черви (без рта и пищеварительного тракта). Однако подлинной сенсацией стало обнаружение бактерий, живущих при температурах выше около 570 К (около 300°С). Впоследствии эти бактерии проявляли все признаки активной жизнедеятельности (росли, размножались) уже в лабораторных автоклавах при столь же высоких температурах и давлениях, как и на дне океана у гидротермов. Причем уже при температуре около 355 К (около 80°С) их рост полностью прекращался, так как, по-видимому, им было «холодно».

Обнаружение функционирующих столь высокотемпературных бактерий на чрезвычайных глубинах океана, куда практически не проникают лучи света, потрясло основы биологии. Ведь подавляющее число форм жизни (за исключением хемосинтезирующих бактерий) было обязано своим существованием Солнцу. А кроме того, для всех наземных форм жизни белок (это химическая основа жизни) сворачивается при температуре до 100°С. Оба этих положения опровергались сделанным открытием.

Через некоторое время столь же необычные экосистемы на дне океана, что и у Галапагосских островов, были обнаружены вблизи берегов Мексики, у островов Пасхи и в других местах. И это позволило советским ученым Т. А. Айзатуллину, В. Л. Лебедеву и К. М. Хайлову предположить, что все эти оазисы жизни на дне океана являются не исключением, а скорее, правилом, выявленным на практике¹ (здесь можно вспомнить и высказывание Д. Кушнера, процитированное ранее). По мнению этих ученых, должна существовать непрерывная цепочка жизни в местах разломов на океанском дне.

¹ См.: Айзатуллин Т. А., Лебедев В. Л., Xайлов К. М. Океан: фронты, дисперсии, жизнь. Л., Гидрометеоиздат, 1984.

Естественно, в связи с обнаружением оазисов жизни на дне океана было выдвинуто немало гипотез, порою весьма экзотических. Например, появилось много гипотез о том, что происхождение жизни на Земле происходило в подобных гидротермах на дне древнего океана. Более того, было даже предположено, что в гидротермах на дне современного океана жизнь зарождается и в настоящее время. В качестве аргумента в пользу этой гипотезы указывался следующий факт: концентрация микроорганизмов в морской воде возрастает по мере увеличения глубины погружения.

Иную точку зрения, во многом поддерживаемую большинством ученых, высказал английский биолог Н. Пири, некогда работавший со знаменитым Дж. Холдейном (теория происхождения жизни Опарина–Холдейна). Н. Пири считает, что жизнь появилась вначале вблизи поверхности Земли, и только впоследствии в ходе весьма длительной эволюции одна из ее ветвей достигла дна океана.

Однако не будем более отвлекаться и вернемся к теме нашей брошюры – космическому вакууму. Условия: космического вакуума также являются экстремальными для жизнедеятельности микроорганизмов. И если жизнь была обнаружена в неожиданных экстремальных температурных условиях, то почему она не может существовать в экстремальных условиях высокого вакуума?

Микроорганизмы в космическом вакууме. На самом деле более правильно, конечно, было бы говорить непросто о вакуумных, а об экстремальных тепловакуумных условиях, поскольку любое тело, помещенное в вакуум, характеризуется определенными температурами. К сожалению, это обстоятельство иногда игнорируется, и многие микробиологи, проводившие эксперименты с микроорганизмами в вакууме (в том числе и в космическом вакууме при полетах космических аппаратов), часто даже не сообщают о температурах биологических объектов. Последнее порою затрудняет интерпретацию результатов подобных экспериментов и вносит некоторую рассогласованность.

Итак, до начала космической эры микробиологи, как правило, изучали поведение микроорганизмов только при нормальном атмосферном давлении окружающей среды, но при воздействии разнообразных факторов (температуры, облучения и т. д.). Исключением здесь являются так называемые процессы лиофилизации микроорганизмов, т. е. их высушивания при пониженных температурах и давлениях окружающей среды.

То, что поведение микроорганизмов в вакууме ранее практически не изучалось, весьма удивительно, поскольку еще в начале XX в. известный шведский ученый С. Аррениус сделал попытку научно обосновать теорию панспермии (теперь ее называют теорией радиопанспермии, чтобы отличить от других разновидностей: литопанспермии, направленной и обратно направленной панспермии). По мнению С. Аррениуса, споры микроорганизмов, перемещаясь в космическом вакууме давлением солнечного света (незадолго до этого русский физик П. Н. Лебедев экспериментально обнаружил этот эффект), могли попасть на Землю и тем самым положить начало зарождению жизни на ней.

Надо сказать, что еще до С. Аррениуса идеи радиопанспермии высказывал в конце XIX в. немецкий ученый Г. Рихтер. Возрождение этой теории в наше время, так сказать, на современной основе было сделано английскими астрофизиками Ф. Хойлом и Ч. Викрамасинком. Однако только с началом космической эры началось интенсивное изучение микроорганизмов в условиях высокого вакуума. И вызвано это было в первую очередь практической необходимостью, связанной с требованием стерилизации космических аппаратов, посылаемых на другие небесные объекты.

Действительно, как уже отмечалось, наличие земных микроорганизмов на борту космического аппарата, если бы они выжили при путешествии в космическом вакууме и попали, скажем, в атмосферу планеты, могло бы существенно исказить эндогенную планетную микрофлору (если таковая там имеется) и отрицательно повлиять на результаты поиска жизни на этих телах.

Кстати, недавно была выдвинута идея о возможности целенаправленного полезного использования земных микроорганизмов для модификации атмосферы Марса при будущей колонизации человеком этой планеты. Реализация этой идеи возможна лишь после тщательных микробиологических исследований Марса. Однако это уже другой сюжет, не относящийся непосредственно к нашей тематике.

Хорошо известно, что высокий вакуум (в том числе и космический вакуум) является средой, губительной для всего живого. Здесь можно вспомнить опыт, проведенный еще в XVII в. немецким физиком О. Герике, который, поместив живую мышь под стеклянный вакуумный колпак, откачал вакуумным насосом из-под него воздух. В результате мышь, естественно, сдохла.

Для человека и вообще для млекопитающих первые неприятности в среде с пониженным давлением начинаются с так называемого кислородного голодания. Вспомним о затруднениях, которые испытывают альпинисты, которые без кислородных приборов, как правило, не могут покорять великие вершины мира. На больших высотах над уровнем моря из крови человека начинают выделяться растворенные в ней газы, и она как бы вскипает. На еще больших высотах начинают лопаться кровеносные сосуды, и человек в отсутствие защитного снаряжения погиб бы от внутренних кровоизлияний.

Для того чтобы космонавт мог успешно жить и работать в космическом вакууме при выходах в открытый космос (а эти выходы все чаще и чаще используются в практической космонавтике), были созданы и успешно эксплуатируются специальные скафандры, имеющие все необходимые системы жизнеобеспечения и надежно защищающие космонавта от губительного воздействия космического вакуума.

Однако воздействие экстремальных тепловакуумных условий на микроорганизмы имеет свою специфику. Так, анализ результатов различных экспериментов с микроорганизмами и спорами в вакууме, проведенный автором брошюры совместно с С. В. Лысенко, показал, что выживаемость (или повреждение) микроорганизмов определяется заданным температурным режимом. При этом обнаружилось, что значительный диапазон температур – от криогенных до умеренно высоких значений (около 400 К) – подразделяется на три отчетливые области, специфические по своему воздействию на микроорганизмы и их выживание.

Так, например, при воздействии температур первой из этих областей (от криогенных до комнатных значений) наблюдается практически 100%-ная выживаемость микроорганизмов и спор; при воздействии температур второй области (от комнатных до несколько повышенных значений) выживаемость всех видов микроорганизмов и спор падает с одинаковой скоростью; при воздействии температур третьей области выживаемость микроорганизмов и спор катастрофически падает практически до нуля.

Что же происходит с микроорганизмами и спорами при значениях температуры из второй области и, самое главное, когда значения температуры приближаются к третьей области? Чем объяснить массовую гибель микроорганизмов и спор при значениях температур из третьей области?

Исследования показали, что при увеличении температуры с неизбежностью начинает постепенно повышаться внутриклеточное и внутриспоровое давление, и это обусловливает механическое повреждение цитоплазматической мембраны, являющееся причиной снижения выживаемости рассматриваемых живых организмов. Повышение внутриклеточного и внутриспорового давления, видимо, вызвано тем, что при увеличении температуры возрастает давление насыщенных паров внутриклеточной жидкой воды.

Как уже говорилось ранее, вегетативная клетка микроорганизмов содержит жидкой воды до 80%, а спора (это наиболее сухая ячейка жизни) – 25 – 40%. Полное же удаление всей внутриклеточной (или внутриспоровой) свободной воды приводит к умерщвлению (инактивации) как вегетативных клеток микроорганизмов, так и спор. Итак, возрастание давления насыщения паров этой воды при увеличении температуры вполне могло объяснять повышение внутриклеточного (или внутриспорового) давления. И действительно, расчеты показывают, что количество теплоты для внутриклеточных процессов как раз соответствует теплоте испарения воды.

Если повышение температуры прервать при достижении некоторого значения температуры из второй области, а затем испытуемый живой организм (клетку или спору) перенести на богатую питательную среду, то через некоторое время он вновь может «ожить». Однако при некотором критическом значении температуры организм окончательно погибает, как и при более высоких значениях температуры (из третьей области). Надо сказать, что границы второй области (как начальные, так и конечные значения) вполне индивидуальны для каждого конкретного вида организма, и поэтому они с некоторой неопределенностью указывались ранее при определении трех критических областей температур для жизнедеятельности микроорганизмов в условиях вакуума.

Изучение погибших микроорганизмов и спор под микроскопом показало, что при значениях температур из третьей области в цитоплазматической мембране вначале появляются дырки и трещины, а потом происходит и полное разрушение мембраны. На последней странице обложки приведены изображения клеток гриба Эндомицес магнузия, находившихся в тепловакуумных условиях (давление порядка 10^–4 Па, температура около 295 К, или около 20°С) в течение 5 мин (левая колонка), 10 мин (низ правой колонки) и 15 мин (изображение вверху справа). На некоторых изображениях отчетливо видны выбросы вещества через дефекты мембраны в вакуумное пространство.

Следует заметить, что при этом выбрасываются не только пары внутриклеточной воды, а также и внутриклеточное вещество (поэтому такую клетку, естественно, уже ничем нельзя «оживить»). А при достаточно высоких значениях температуры клетка попросту взрывается под напором внутриклеточного давления. В общем же случае нарушение целостности клеточной мембраны соответствует потере способности клетки к осмотическому действию: с приобретением этой способности доклеточное состояние становится «живым», а с его потерей живая клетка погибает.

Такое заключение на первый взгляд может показаться странным. Осмотическое действие обычно ассоциировалось со способностью воды проходить сквозь клеточную мембрану. Однако обыденный опыт (скажем, кипение воды в чайнике), казалось бы, говорит об обратном: воде в парообразном состоянии легче покидать нагретый сосуд, чем воде в жидком состоянии. При нагревании живой клетки вода в парообразном состоянии также, казалось бы, должна быстро проходить сквозь микропоры в мембране, и поэтому давление насыщенных паров не может сильно увеличиваться (вплоть до разрушения мембраны). Почему же опыт с живыми клетками свидетельствует об обратном?

Дело в том, что на самом деле молекулы пара воды, в отличие от молекул жидкой воды, не могут быстро проходить очень узкие микропоры в клеточной мембране. Вплоть до температур 395 – 450 К (120 – 180°С) вода испаряется большими порциями (кластерами), содержащими десятки и сотни молекул. Эти кластеры не в состоянии проникнуть в микропоры, через которые свободно проходят одиночные молекулы жидкой воды, а также молекулы других газов.

Кстати, на этом свойстве живой клетки основан процесс ее осушки при очень низких температурах (и давлениях) – так называемый процесс лиофилизации. Отсутствие интенсивного процесса парообразования не приводит к повышению внутриклеточного давления и повреждению клеточной мембраны. Поэтому процесс лиофилизации успешно используется в лабораторной медицинской и биологической практике.

Итак, живая клетка с термодинамической точки зрения представляет собой закрытую систему для паров воды и открытую для других газов и жидкой воды. Процесс испарения повышает внутриклеточное давление, что в конечном итоге приводит к повреждению мембраны и появлению на ней трещин и дырок, через которые в окружающее пространство устремляется внутриклеточное вещество вместе с парами воды. Таким образом, главнейшим атрибутом жизни является наличие воды в жидком состоянии, и жизнь возможна только там, где соответствующие термодинамические условия (температура и давление) обеспечивают существование воды в жидком состоянии.

При низких давлениях, а тем более в вакууме испарение воды начинается при достаточно низких температурах. При нормальном атмосферном давлении температура кипения (испарения) воды составляет 100°С (373 К), при более высоких давлениях вода закипает и при более высоких температурах. Кстати, этим и объясняется феномен высокотемпературных организмов на океанском дне – там очень велико гидростатическое давление.

Следует отметить, что гидростатическое давление на дне океана благодаря быстрой диффузии молекул жидкой воды через клеточную мембрану практически мгновенно уравновешивается с внутриклеточным (осмотическим) давлением. Вследствие этого нежная и хрупкая мембрана микроорганизма или его споры не претерпевает механического разрушения и способна функционировать при очень больших гидростатических давлениях окружающей жидкой воды (даже в 100 – 1000 раз превышающих нормальное атмосферное давление).

Границы биосферы и жизнь на других мирах. То обстоятельство, что существование жизни обусловливается возможностью воды пребывать в жидком состоянии, приводит к вполне определенной оценке абсолютного температурного предела для жизнедеятельности организмов. Действительно, в качестве такого предела можно принять критическую температуру жидкой воды, равную около 730 К (около 460°С). При этом значении температуры (и конечно, и при более высоких значениях) вода при любом давлении не в состоянии перейти из газообразного состояния в жидкое.

Кроме того, как было показано в предыдущем разделе, температурный предел для жизнедеятельности организмов существует и при более низких давлениях, вплоть до самого высокого вакуума. Например, исследования показали, что даже в космическом вакууме нагрев до температуры порядка 400 К (около 120°С) катастрофически воздействует на любой живой организм. Наличие же температурного предела жизни неразрывно связано с такими проблемами, как определение границ биосферы, возможность жизни на других мирах и реальность (вернее, невозможность) радиопанспермии.

Понятие биосферы впервые было введено в научный обиход академиком В. И. Вернадским и в принципе означает сферический слой вблизи поверхности Земли, где еще возможно существование жизни. Однако, хотя вопросы, связанные с земной биосферой, уже давно обсуждаются в научной литературе, тем не менее все еще остается открытым вопрос о конкретных верхней и нижней границах биосферы. С другой стороны, наличие температурного предела жизнедеятельности организмов четко устанавливает по крайней мере теоретические пределы этих границ.

Действительно, расчеты показывают, что верхняя граница биосферы Земли должна пролегать в стратосфере, где-то на высотах менее 100 км от земной поверхности. Именно здесь все попавшие сюда (с поверхности Земли или из космоса) живые организмы нагреваются в прямых лучах Солнца до температуры порядка 400 К (около 120°С) в условиях космического вакуума. Как мы знаем, живые клетки в этих условиях попросту взрываются под действием внутриклеточного давления. Руководствуясь результатами ракетных экспериментов, С. В. Лысенко указывает более конкретную границу «биосферы Земли – около 85 км над земной поверхностью.

Что же касается нижней границы биосферы, то согласно расчетам она должна проходить на глубине около 25 км под поверхностью Земли. С увеличением глубины быстро возрастает литостатическое давление, и именно на глубине около 25 км достигается критическая температура для жидкой воды. Как известно, в районе Кольского полуострова производится сейчас сверхглубокое бурение, и там уже достигнута глубина около 12 км, где температура оказалась равной около 470 К (около 200°С). Надо сказать, что на глубине около 10,5 км здесь были открыты источники горячей жидкой минеральной воды.

При сверхглубоком бурении на Кольском полуострове еще не проводилось специальных микробиологических исследований, хотя микробиологические останки и были обнаружены на глубинах около 7 км. Однако живые микроорганизмы доподлинно были выявлены в других буровых скважинах вплоть до глубины 4 км.

Проблему существования жизни на других мирах можно также связать с проблемой существования воды в жидком состоянии. Так, например, никакой жизни не может быть на поверхности Венеры, где температура превышает критическое значение для жидкой воды, но жизнь вполне допустима даже на Титане, спутнике Сатурна. Как ни странно, используемый критерий не противоречит даже возможному существованию живых организмов в межзвездном пространстве вдали от звезд.

В 1985 г. в английском журнале «Нейчур» («Природа») появилась статья нидерландских ученых Б. Вебера и Дж. Гринберга, которая называлась «Смогут ли споры выжить в межзвездной среде?». Естественно, в своей статье ученые отвечают на этот вопрос положительно. Еще далее пошли Ф. Хойл и Ч. Викрамасик, которые сделали неожиданное предположение, что часть межзвездных пылинок на самом деле представляет собой бактерии, вирусы и даже водоросли (!). Вообще-то говоря, характерные для межзвездной среды тепловакуумные условия не противоречат выживанию живых организмов в космическом вакууме межзвездного пространства, поскольку температура вдали от звезд достаточно для этого низкая.

Правда, надо сказать, что все эти научные спекуляции имеют определенную цель – возродить идеи радиопанспермии. На состоявшемся недавно в Москве XXXIV Всемирном геологическом конгрессе Дж. Гринберг продемонстрировал результаты своих экспериментов, в ходе которых моделировались условия межзвездной среды. Полученные результаты якобы свидетельствуют о том, что в этих условиях микроорганизмы и споры могли сохранять свою жизнеспособность в течение нескольких сотен тысяч и даже миллионов лет, когда под действием давления излучения (света звезды) они мигрируют от одной звездной системы в другую. Нидерландский ученый предусмотрел также то обстоятельство, что от воздействия жесткой радиации спору могло бы спасти ее ледяное покрытие (температуры в межзвездном пространстве очень низки).

Однако все эти попытки возродить идеи радиопанспермии и объяснить ими происхождение жизни на Земле совершенно несостоятельны, поскольку в них полностью игнорируются локальные воздействия тепловакуумных условий вблизи звезд (планет). Вопрос, поставленный в заголовок статьи Б. Вебера и Дж. Гринберга, на самом деле является беспредметным, поскольку тут же возникают другие вопросы: «Смогут ли споры попасть в межзвездную среду живыми?» и «Смогут ли споры из межзвездного пространства живыми попасть на поверхность Земли?».

Сам читатель, основываясь на положениях, изложенных в этой брошюре, сможет ответить на оба этих вопроса отрицательно. Действительно, никакие живые организмы не смогут проникнуть за пределы биосферы и не в состоянии выжить в условиях космического вакуума при высоких температурах прямого солнечного излучения в окрестностях Земли. Кстати, космический вакуум играет роковую роль и в судьбе «ледяного панциря» спор, вызывая быструю сублимацию льда и обнажая спору перед губительными потоками жесткой радиации.

Таким образом, процесс зарождения жизни на Земле никоим образом не может обусловливаться радиопанспермией и полностью определяется соответствующими условиями на нашей планете. Правда, при этом не исключается возможность попадания различных органических соединений из космоса на поверхность Земли, но это уже никак не связано с идеями радиопанспермии – попаданием живых организмов из космического вакуума на нашу планету.

Прошло уже около трех десятилетий, когда в своей практической деятельности человечество столкнулось с интересным и грозным явлением – космическим вакуумом. Интересным и полезным, поскольку космическое пространство практически представляет собой «бесплатную» гигантскую вакуумную установку; грозным, поскольку существующие в нем тепловакуумные условия; не только губительны для всего живого (от микроорганизмов до космонавтов), но и в большинстве случаев отрицательно воздействуют на материалы и работу систем космических аппаратов.

Все мы находимся под большим впечатлением от катастрофы американского корабля «Челленджер», повлекшей за собой человеческие жертвы. Хотя расследование причин трагедии на мысе Канаверал еще продолжается, однако сотрудники НАСА в качестве одной из возможных ее причин считают выход из строя одной из резиновых уплотнительных прокладок твердотопливного» ускорителя. Эта причина выдвигается как одна из возможных, но она имеет непосредственное отношение к нашей теме – воздействию космического вакуума на материалы космических аппаратов.

Данное обстоятельство еще раз подчеркивает серьезность этого вопроса и необходимость различных исследований по моделированию воздействий космического вакуума в земных лабораториях. Однако освоение космического пространства в дальнейшем потребует не только учета отрицательных воздействий космического вакуума на материалы, узлы и элементы космического аппарата. Безусловно, будет расширяться активное использование условий космического вакуума для практических нужд.

Ранее уже говорилось о возможностях использования космического вакуума в качестве своеобразного «насоса» для откачки камер или «компрессора» при формировании надувных и вспенивающихся конструкций, для управления положением и стабилизации космических аппаратов с помощью диффузионных и сублимационных процессов. Однако круг практических задач, решаемых с помощью использования условий космического вакуума, несомненно, будет расширен.

Андрейчук О. Б., Малахов Н. Н. Тепловые испытания космических аппаратов. М., Машиностроение, 1982.

Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. М., Машиностроение, 1971.

Мурзаков Б. Г. Проблемы обнаружения жизни на планетах. М., Знание, 1977.

Нусинов М. Д. Имитационные установки. М., Машиностроение, 1980.

Нусинов М. Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. М., Машиностроение, 1982.

Саксаганский Г. А. Сверхвысокий вакуум в радиационном и физическом аппаратостроении. М., Атомиздат, 1976.

Силин А. А. Трение и его роль в развитии техники. М., Наука, 1983.

13 марта 1986 г. с той же самой стартовой площадки на космодроме Байконур, с которой почти 25 лет назад отправился в свой исторический полет первый космонавт планеты Юрий Гагарин, уходили на работу в космос «Маяки» – Леонид Кизим и Владимир Соловьев. Хронометры бесстрастно констатировали фактическое время старта – 15 ч 33 мин 9 с*.

* Здесь и далее указано московское декретное (зимнее) время, по которому осуществляется управление полетом космических аппаратов.

Леонид Кизим родился в суровом 1941 г. в рабочей семье. Дед всю жизнь рубил уголь в шахте, отец трудился на железной дороге, участвовал в боях во время Великой Отечественной войны. Вдоволь хлебнувший трудностей на войне, отец учил сына не бояться никакой работы, всегда, как в атаке, идти только вперед. Последнее особенно помогло Леониду Кизиму, когда он решил стать летчиком.

Маленький, худощавый, но быстрый и ловкий мальчишка, Леонид легко и азартно постигал школьные науки. Среди сверстников считался неплохим футболистом, одно время серьезно увлекся боксом. Вспоминая эти годы, Леонид Кизим отмечает: «Своим здоровьем я во многом обязан спорту. Именно благодаря ему я приобрел тот запас прочности, который позволил мне стать летчиком, а затем и космонавтом». Однако когда он после седьмого класса пытался поступить в авиационную спецшколу, его не приняли из-за маленького роста. То же произошло, когда, закончив десятилетку, Леонид подал документы в летное училище.

Стать летчиком было не просто мечтой Леонида Кизима, в этом он видел весь смысл своего существования. Он сам придумывает специальные упражнения, и в результате года упорных тренировок подрастает на три сантиметра. Этого оказалось достаточно, чтобы пройти приемную комиссию, а вступительные экзамены Леонид сдал на «отлично». Так он достиг заветной цели, стал военным летчиком первого класса, летал на современных истребителях. Даже перейдя в космонавтику, Леонид Кизим не изменил авиации. Наряду с подготовкой к космическим полетам продолжал летать на самолетах, осваивал новые машины, стал летчиком-испытателем третьего класса, окончил Военно-воздушную академию им. Ю. А. Гагарина.

Конечно же, это не просто – постоянно находиться в форме, держать себя в пике готовности без каких-либо скидок на настроение, усталость, семейные обстоятельства и т. п. После зачисления в отряд космонавтов Леонид Кизим ждал своего первого полета 15 лет. Он совершил этот полет в конце 1980 г., возглавив экипаж космического корабля «Союз Т-3», выполнивший уникальную ремонтную операцию на станции «Салют-6», продлившую жизнь орбитальной станции еще на два года. В условиях космического полета космонавты вскрыли герметичный контур системы терморегулирования станции и установили новое «сердце» – блок гидронасосов.

Владимир Соловьев на 5 лет моложе своего командира. Отец его был авиационным специалистом, мать – преподавателем высшей математики. Такая «наследственность» сказалась еще в школе, а после ее окончания – в том, что он поступил в Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана. Этот старейший вуз страны окончили многие наши космонавты, среди которых и первый космический бортинженер К. П. Феоктистов, и нынешний ректор МВТУ А. С. Елисеев. Наставником Владимира Соловьева стал зав. кафедрой МВТУ В. Д. Лубенец, от которого будущий космонавт унаследовал любовь к двигательным установкам и горнолыжному спорту. Главной удачей в своей жизни Владимир Соловьев считает, что после окончания вуза его направили в ОКБ С. П. Королева. Наверное, вполне закономерно, что он написал заявление с просьбой зачислить в отряд космонавтов. К тому времен» Владимир Соловьев стал признанным специалистом, проводил занятия по объединенной двигательной установке орбитальных станций. В частности, он принимал экзамены у ныне хорошо известных космонавтов Г. М. Гречко, В. В. Коваленка, В. В. Рюмина, Ю. В. Романенко, А. С. Иванченкова, В. А. Ляхова, Л. И. Попова и других.

В сентябре 1981 г. Леонида Кизима назначили командиром; дублирующего советско-французского экипажа, а Владимира Соловьева – бортинженером. С тех пор они работают вместе. Готовясь к рекордному по продолжительности 237-суточному полету в космос, они много тренировались, значительную часть времени проводя в бассейне гидроневесомости, осваивая навыки работы в открытом космосе. Общая продолжительность их пребывания в открытом космосе за шесть выходов составила 22 ч 50 мин; еще ни один человек в мире не работал так долго и плодотворно за бортом орбитальной станции.

Во время одного из этих выходов в открытый космос Леонид. Кизим и Владимир Соловьев установили обе дополнительные секции на боковую панель солнечных батарей станции «Салют-7». Но главной целью их выходов в открытый космос было проведение сложнейших монтажных работ на объединенной двигательной установке станции. И надо сказать, что космонавты блестяще справились со всеми поставленными перед ними задачами.

И вот Леонид Кизим и Владимир Соловьев снова вместе в одном экипаже. Им предстоит первым открыть «дверь» нового космического дома – орбитальной станции «Мир». Так уж получилось, что Леонид Кизим был командиром корабля «Союз Т-3», полетом которого завершались испытания корабля этой серии, теперь же он стал командиром корабля «Союз Т-15», последнего в этой серии. Станция «Мир» – это станция нового поколения, и такое сочетание космических аппаратов разных поколений потребовало особого подхода к их стыковке.

Дело в том, что передний стыковочный узел станции, к которому должны были пришвартоваться «Маяки», оборудован новой радиотехнической системой стыковки, не совместимой с аналогичной системой их корабля. Эта система предназначена для стыковки со станцией специализированных модулей и пилотируемых кораблей последующей серии. Кормовой узел, т. е. причал станции со стороны агрегатного отсека, рассчитан на прием как перспективных модулей, так и грузовиков типа «Прогресс». Сюда мог бы пришвартоваться и «Союз Т-15», но тогда бы он закрыл путь к станции «Прогрессу-25», до старта которого оставались уже считанные дни.

Поэтому схема стыковки «Маяков» со станцией «Мир» предусматривала автоматическое сближение с его кормовым причалом до расстояния примерно 200 м. После чего экипаж переходил на ручное управление, а станция по командам с Земли разворачивалась таким образом, чтобы занять в пространстве положение, удобное по условиям освещенности для ее облета и стыковки с передним стыковочным узлом. Поскольку же стыковка осуществлялась с новой станцией, да еще по непривычной схеме, то не удивительно, что в день стыковки 15 марта в Центре управления полетом был полный сбор. А события разворачивались с «космической» скоростью: в зону облета «Маяки» пришли на 20 мин раньше, чем планировалось. «Есть касание!» – сообщил экипаж, а телеметрия регистрирует время касания космических аппаратов – 16 ч 38 мин 42 с.

Все это произошло задолго до расчетного времени, еще до входа в зону телевизионной видимости, а мы ведь уже привыкли наблюдать за процессом стыковки на телеэкране. Естественно, что гости на балконе главного зала не успели среагировать обычными в таких случаях аплодисментами. «Мы коснулись, – повторил Леонид Кизим. – Что-то не слышим поздравлений». «Вы молодцы! – ответила Земля. – А поскольку вы опередили время, то, наверное и перейти на станцию сможете на виток раньше».

«Мир» – это уже третья орбитальная станция в трудовой биографии космонавта Леонида Кизима. Кроме него, еще только один человек работал на трех космических станциях – это Георгий Гречко. Так что командира «Союза Т-15» по праву можно считать знатоком орбитальных станций, и его первые слова, когда он вошел в рабочий отсек «Мира»:. «Здесь жить можно!», вызвали довольные улыбки у создателей новой станции. Главная задача на первом этапе полета станции «Мир» – провести испытания элементов конструкции, бортовых систем и аппаратуры. «Маякам» предстояло установить на штатные рабочие места многие приборы, которые при запуске станции были упакованы и закреплены в стенных шкафах.

Часть оборудования находилась на борту автоматического грузового корабля «Прогресс-25», который стартовал с Земли 19 марта 1986 г. в 13 ч 8 мин 25 с. Заключительные операции по сближению грузового корабля с орбитальным комплексом «Мир»–«Союз Т-15» начались 21 марта. «Маяки» контролировали этот процесс с помощью бортового телевидения. Они докладывали на Землю: «Корабль движется к нам боком, начинает разворачиваться...» В разговор космонавтов с Землей вступает руководитель полета В. В. Рюмин: «Маяки», вы не забыли, что по инструкции вы во время стыковки должны находиться в «Союзе Т-15»? Как закончится разворот «Прогресса», немедленно туда».

Подобные меры предосторожности принимались в свое время при первых стыковках . с орбитальным комплексом «Салют-6»– «Союз». Тогда опасались так называемого «эффекта хлыста». Предполагали, что в момент касания космических аппаратов в конструкции комплекса могут возникнуть упругие колебания, способные нарушить герметичность стыка космического корабля, пришвартованного у противоположного конца станции. За время многолетней эксплуатации станции «Салют-6» и «Салют-7» ни разу не наблюдалось ничего подозрительного в поведении стыковочных узлов. Тем не менее к этой предосторожности вернулись вновь, ведь станция «Мир» новая, и ее инерционные характеристики существенно отличаются от «салютовских».

Уже перейдя в космический корабль и закрыв за собой люки, «Маяки» докладывали: «Ждем касания... Есть касание! Очень мягкое, кстати». Датчики, установленные на космических аппаратах, показали точное время касания – 14 ч 16 мин 1 с. С прибытием грузовика забот у «Маяков» прибавилось: разгрузка «Прогресса», дозаправка топливных баков объединенной двигательной установки, наддув жилых отсеков воздухом, отладка бортового оборудования и т. п. Для определения динамических характеристик сложной конструкции орбитального комплекса, состоящего из базового блока и двух кораблей, проводился технический эксперимент «Резонанс». Хотя программа полета «Маяков» на станции «Мир» не предполагает широких научных исследований, тем не менее им поручили визуально-инструментальные наблюдения отдельных районов Советского Союза для решения ряда народнохозяйственных задач. Обратили свой взор космонавты и на небесную гостью – комету Галлея. «Она в районе созвездия Стрельца, – сообщали «Маяки». – Хвост длиной в три градуса. Яркость – пятая или шестая звездная величина. Фотографировали».

Так стала обитаемой еще одна орбитальная советская станция.

* ПРОДОЛЖЕНИЕ (см. № 3 за 1986 г.). По материалам различных информационных агентств приводятся данные о запусках некоторых искусственных спутников Земли (ИСЗ) и полетах автоматических межпланетных станций (АМС), начиная с февраля 1986 г. О пилотируемых космических полетах рассказывается в отдельных приложениях. О запусках ИСЗ серии «Космос» регулярно сообщается, например, на страницах журнала «Природа», куда и отсылаем интересующихся читателей.

1 ФЕВРАЛЯ в КНР с космодрома Сичан с помощью ракеты-носителя (РН) «Великий поход-3» запущен 18-й китайский ИСЗ. Выведенный на стационарную орбиту к точке «стояния» 103° в. д., этот ИСЗ, видимо, аналогичен экспериментальному ИСЗ связи, выведенному на стационарную орбиту к точке «стояния» 125° в. д.

12 ФЕВРАЛЯ в Японии с помощью РН Н-2 на стационарную орбиту к точке «стояния» 110° в. д. запущен 2-й ИСЗ «Юри-2» для национальной спутниковой системы непосредственного телевизионного вещания (более подробно об этой системе см. в приложении к № 11 за 1985 г.). На 1-м ИСЗ «Юри-2», выведенном ранее на стационарную орбиту к той же точке «стояния», возникли многочисленные неполадки и работоспособность сохранил только один из 3 ретрансляторов. В связи с чем были предъявлены серьезные претензии американской фирме «Дженерэл электрик», изготовлявшей оба ИСЗ.

22 ФЕВРАЛЯ с космодрома Куру с помощью западноевропейской, РН «Ариан-1» на околополярную орбиту запущен природоресурсный ИСЗ «Спот-1», разработанный и изготовленный в основном французскими фирмами с участием фирм некоторых других западноевропейских стран (более подробно об этом ИСЗ см. в приложения к № 5 за 1986 г.).

22 ФЕВРАЛЯ с помощью той же РН «Ариан-1» одновременно выведен на вытянутую эллиптическую орбиту шведский ИСЗ «Викинг» (более подробно об этом 1-м шведском ИСЗ см. в приложении к № 5 за 1986 г.).

6 МАРТА советская АМС «Вега-1» совершила пролет около ядра кометы Галлея на ближайшем расстоянии 9000 км. По программе «Вега» с помощью обеих АМС (см. дальше) получено более 1000 телевизионных снимков, сделанных через различные фильтры, проведены измерения температуры и других физико-химических характеристик, выполнен анализ химического состава газовой и пылевой составляющих вещества кометы, исследовались электромагнитное поле в ее окрестностях и физические процессы в оболочке ядра кометы.

8 МАРТА совершила пролет около ядра кометы Галлея на минимальном расстоянии 150 тыс. км японская АМС «Сусей» («Комета»), имевшая прежде название «Планета. А». К этому времени получение научных данных с помощью этой АМС, стабилизируемой вращением, стало затруднительным, поскольку столкновения с частицами массой 2 – 3 мг отклонили ось вращения АМС на 0,7° от расчетного значения.

9 МАРТА на минимальном расстоянии 8200 км от ядра кометы Галлея совершила пролет советская АМС «Вега-2». Траекторные измерения во время пролетов АМС «Вега-1» и «Вега-2» использовались для более точного наведения западноевропейской АМС «Джотто» в рамках международной программы «Лоцман» с участием СССР, западноевропейской космической организации ЕСА и США.

11 МАРТА японская АМС «Сакигаке» («Пионер») прошла на минимальном расстоянии порядка 10 млн. км от ядра кометы Галлея.

14 МАРТА наведенная по международной программе «Лоцман» западноевропейская АМС «Джотто» совершила пролет на минимальном расстоянии около 600 км от ядра кометы Галлея. За 2 с до пролета на минимальном расстоянии связь с АМС была потеряна вследствие столкновения «Джотто» с крупной пылевой частицей (через 25 мин связь частично восстановилась, но телевизионная камера уже не работала). Однако до этого момента были получены с высоким разрешением снимки ядра, на которых проявляются некоторые элементы «рельефа».

28 МАРТА американская АМС «ИКЭ» сблизилась с ядром кометы Галлея на минимальное расстояние 32 млн. км.

29 МАРТА с космодрома Куру с помощью западноевропейской РН «Ариан-3» на стационарную орбиту к точке «стояния» 106° з. д. запущен американский ИСЗ «Джистар», который является 2-м в спутниковой системе связи (ССС) фирмы «Джисат», организованной американской корпорацией ГТЕ (более подробно об этой ССС см. в приложении к № 11 за 1985 г.).

29 МАРТА с помощью той же РН «Ариан-3» одновременно запущен на стационарную орбиту к точке «стояния» 70° з. д. 2-й ИСЗ «Бразилсат» для национальной ССС Бразилии (более подробно об этой ССС см. в приложении к № 11 за 1985 г.).

18 АПРЕЛЯ в СССР с помощью РН «Молния» на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея 40664 км в Северном полушарии выведен очередной (28-й) ИСЗ связи «Молния-3» в целях обеспечения эксплуатации ССС на пункты сети «Орбита-2» и международного сотрудничества.

Главный отраслевой редактор Л. А. Ерлыкин. Редактор Е. Ю. Ермаков. Мл. редактор Л. Л. Нестеренко. Обложка художника А. А. Астрецова. Худож. редактор Т. С. Егорова. Техн. редактор Н. В. Лбова. Корректор В. И. Гуляева.

Сдано в набор 18.03.86. Подписано к печати 12.05.86. Т 01884. Формат бумаги 84×108¹/₃₂. Бумага тип. № 3. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3,57. Уч.-изд. л. 3,64. Тираж 31 040 экз. Заказ 622. Цена 11 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 864206.

Типография Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

Введение	3
Космический вакуум: общие характеристики	7
Воздействие космического вакуума на элементы космического аппарата	19
Космический вакуум и живая материя	38
Рекомендуемая литература	59
НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ	59
ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ	62

Физическое моделирование	Давление, Па
Уменьшение механической прочности герметических корпусов космического аппарата при воздействии характерного перепада давлений	~10³
Исключение воздушного демпфирования при вибрациях	≤ 0,1
Теплопередача излучением	≤ 10^–2
Диэлектрические силы и разряды	≤ 10^–3
Изучение конструктивной прочности, ползучести, внутреннего демпфирования и других свойств материалов (в зависимости от давления насыщенных паров у исследуемых материалов)	≤ 10^–4
Изучение работы ионных и плазменных двигателей	≤10^–5
Холодная сварка	≤10^–5
Изучение адсорбции, химического взаимодействия остаточного газа с материалом поверхности, «сухого» трения	<10^–5 – 10^–12