Санкт-Петербургский университетНаука
Без единого шурупа
В начале 1990-х годов механики СПбГУ помогли осуществить первый в мире эксперимент по строительству крупногабаритных объектов в условиях открытого космоса.
Над проектом под названием «Софора» ученые Университета трудились по заданию одного из ведущих предприятий космической промышленности СССР — научно-производственного объединения «Энергия» (ныне Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва).
Исследователям требовалось придумать, как прямо на орбите возводить масштабные конструкции, которые из-за больших размеров невозможно доставить в космическое пространство в собранном виде. По словам одного из участников эксперимента Александра Евгеньевича Волкова, профессора СПбГУ (кафедра теории упругости имени Н. Ф. Морозова), традиционные наземные методы строительства для такой работы не подходили.
«Например, соединять детали с помощью болтов и гаек на Земле проще простого. Но если то же самое будет делать космонавт, его все время будет поворачивать в противоположную от движения гаечного ключа сторону. Это создаст неудобства: человек не сможет надежно закрепиться, ему все время придется прикладывать силу для противодействия вращению, — приводит пример ученый. — Применять заклепки тоже нельзя: их установка даже в наземных условиях требует физических усилий, в космосе это еще более тяжелый труд. Работа с клеем невозможна из-за вакуума, а сварка опасна — космонавт может повредить скафандр, что поставит его жизнь под угрозу».
В ходе проекта «Софора» механики СПбГУ придумали, как решить эту проблему. В результате в июле 1991 года на орбитальной станции «Мир» была успешно собрана особая конструкция из соединенных между собой металлических стержней — ферма. Общий вес постройки составил 90 килограммов, а высота — 14,5 метров, как у пятиэтажных домов.
Особый металл
Успех эксперименту обеспечило использование инновационных для того времени материалов — сплавов с памятью формы. «Это класс металлов, которые способны восстанавливать свою исходную форму при нагреве, — объясняет Александр Волков. — Такие сплавы могут находиться в двух разных состояниях: низкотемпературном и высокотемпературном. И если, например, при низкой температуре материал с памятью формы деформировать (скажем, растянуть или изогнуть), он сохранит новую форму. Но если потом сплав нагреть, то он „вспомнит“ свою изначальную форму и вернется к ней».
Исследователи пришли к выводу, что из материалов с подобными свойствами удастся изготовить надежные и легкие в обращении муфты — детали для соединения труб, из которых должна была состоять ферма. Выбор ученых пал на наиболее изученный сплав никеля с титаном (никелид титана, или нитинол).
Еще в 1990-е годы стало известно, что он обладает многими полезными характеристиками, например повышенной коррозионной стойкостью и прочностью. Его также отличает способность эффективно гасить различные колебания. Это очень важно для конструкций в космосе, так как их целостность может нарушиться, если не уменьшить вибрации, возникающие при запусках двигателей космического аппарата. Еще одно преимущество никелида титана — высокая способность к восстановлению формы. Сплав может выдержать деформацию до 8 % и вернуться в исходное состояние, тогда как материалы без памяти формы в среднем перестают принимать первоначальный вид уже после деформирования на 0,1–0,3 %. К тому же работа с никелидом титана не требует экстремальных температур. Изменять форму деталей из сплава можно при комнатной температуре, а изначальное состояние материал «вспоминает» при нагреве от 90 °C.
Подготовить к отлету
Для «Софоры» механикам СПбГУ требовалось сделать из никелида титана 400 муфт: 80 штук для космической фермы и столько же для каждого из четырех образцов, которые использовали в предварительных испытаниях на Земле. Подобрав оптимальные параметры для деталей, исследователи приступили к их созданию.
«Работы над муфтами, как и над остальными составляющими фермы и ее дубликатов, велись в Петергофе на территории экспериментально-опытного завода СПбГУ (позже завод был упразднен. — Прим. ред.), — рассказывает Александр Волков. — Вначале были изготовлены, термообработаны и отшлифованы основные части „Софоры“ — трубы из алюминиево-магниевого сплава. Затем мы брали сплошные цилиндры из никелида титана с меньшим диаметром, чем у труб, и электродами вырезали из них середину. В итоге получались полые термомеханические цилиндры — муфты. Их мы растягивали до такой степени, чтобы они свободно надевались на трубы».
В таком виде муфты вместе с другими составляющими фермы отправляли на станцию «Мир». Транспортировка была быстрой и простой, поскольку многочисленные элементы будущей конструкции уместились в несколько небольших футляров. Оставалось только собрать их на орбите, как конструктор.
Четыре важных дня
Возведением «Софоры» занимались космонавты Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский. Полный цикл работ им удалось завершить за четыре выхода в открытый космос. Первый состоялся 15 июля 1991 года. В ходе него космонавты установили на пристыкованный к «Миру» модуль «Квант» монтажную платформу и нагревательные лампы.
Во время второго выхода, 19 июля, была начата сборка первых трех секций фермы. Процесс строился следующим образом. На платформу устанавливали короткую секцию «Софоры», выполненную из металлических труб. На все ее углы надевали расширенные муфты из никелида титана. Сверху в них вставляли следующую секцию. Затем лампами нагревали места соединений, чтобы муфты «вспомнили» свою изначальную форму и уменьшились в диаметре, тем самым плотно соединив и зафиксировав трубы первого и второго уровня. Подобным образом космонавтам в сумме предстояло возвести 20 секций.
«Во время сборки Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский, как и положено, постоянно находились на связи с Центром управления полетами на Земле и описывали каждое свое действие, — вспоминает Александр Волков. — Вначале все шло хорошо: детали достали из футляров, развернули. Но когда начали собирать секции, оказалось, что трубы не входят в муфты. Космонавты без паники доложили об этом на Землю. Находящиеся на прямой линии механики быстро подсказали решение проблемы — требовалось немного подождать, чтобы детали остыли после нахождения на теплой станции. Выполнив рекомендации, Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский смогли продолжить эксперимент, так как трубы уменьшились до необходимого размера».
Дальнейшая сборка фермы проходила в штатном режиме. 23 июля космонавты возвели 11 следующих секций, в частности шарнирное звено — участок, благодаря которому верхнюю половину «Софоры» можно было наклонять, в том числе под прямым углом. Последний выход в космос в рамках эксперимента состоялся 27 июля. В тот день Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский собрали шесть последних «этажей» и в честь успешного завершения установили на вершине фермы флаг СССР.
Проект с продолжением
Эксперимент «Софора» не только позволил советским космонавтам первыми в мире опробовать методы строительства больших объектов в космосе, но и подтвердил перспективность использования сплавов с памятью формы в качестве замков для соединения деталей космического оборудования.
Возведенную ферму впоследствии использовали для решения многих прикладных задач. В частности, с ее помощью космонавты могли более оперативно перемещаться к разным модулям орбитальной станции. Также на «Софоре» размещали аппаратуру для проведения исследований: например, для измерения собственной внешней атмосферы вокруг «Мира». «В 1992 году на вершине фермы разместили выносную двигательную установку, с помощью которой можно было поворачивать станцию. Благодаря этому время работы „Мира“ удалось продлить почти на 10 лет — до спуска с орбиты и затопления в 2001 году. Это стало, пожалуй, самой важной задачей, для которой послужила „Софора“», — подчеркивает Александр Волков.
Интересно
«Когда я поднялся по „Софоре“ на самый верх, то впервые в космосе почувствовал, что боюсь высоты. Меня совсем не пугало, что до Земли 400 километров. А вот смотреть на станцию [„Мир“] с 15 метров было страшно». Воспоминания летчика-космонавта Анатолия Павловича Арцебарского о работе на ферме «Софора»
Источник: Роскосмос
Кстати
Сплавы с памятью формы сегодня активно используют в медицине. Из них изготавливают внутрисосудистые стенты, реабилитационные перчатки, стержни для фиксации позвоночника при сколиозе, штифты, зажимы, ортопедические имплантаты, оправы для очков, ортодонтические дуги и пластины для исправления воронкообразной деформации грудной клетки.
Факт
фермы «Рапана»
Механики Университета также участвовали в таких космических экспериментах с использованием сплавов с памятью формы, как:
«Краб» (1989 год). На грузовом корабле «Прогресс-40», который отстыковывался от орбитальной станции «Мир», впервые в мире раскрыли крупногабаритные кольцевые антенны диаметром 20 метров каждая. Развертывание конструкций происходило благодаря приводам из сплава с памятью формы.
«Рапана» (1992 год). На модуле «Квант» орбитальной станции «Мир» автоматически разворачивали пятиметровую ферму. Раскрытие осуществляли за счет приводов из никелида титана. Впоследствии на ферме размещали биологические, химические и другие образцы для изучения того, как на них воздействует космическая среда.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl