Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук Страница 9

давление в специальной камере и раскручивала турбину, как в тепловой электростанции. Конструкторы, особенно во времена популярности идей Циолковского, проработали и этот вариант, но он оказался неэффективным. Кстати, некоторые проекты напоминали летающие тарелки, и в их ободе как раз и была вода. Для космоса идею не взяли, но на Земле, в основном у экоактивистов, можно увидеть специальные коллекторы, использующие нагревание воды Солнцем для генерации электричества. Правда, уже без турбин, а с термопарами наподобие тех, что использовались в космических кораблях Space Shuttle и «Буран». Это специальный полупроводниковый прибор, который генерирует электричество между двумя слоями материала, имеющими разную температуру. Советские и американские многоразовые корабли были очень большими и сильно нагревались. Для защиты экипажа и оборудования аппараты летали «брюхом», где располагалась самая устойчивая теплозащита, к Солнцу. Для контроля и определения температурного режима устанавливались сотни термопар, которые служили датчиками, но при этом вырабатывали много энергии, которую инженеры использовали дополнительно (привычных солнечных батарей не было, полеты всегда были короткими). Использование коллекторов с термопарами – самый безопасный для природы метод выработки энергии, хотя и не самый дешевый и эффективный. Сейчас сложно решить, привели ли к их появлению именно космические исследования, или их история уходит корнями в более давние времена, но одно известно точно: такие водные системы у фантастов XIX–XX веков описываются как первая солнечная батареи.

Солнечные батареи, к которым мы привыкли, появились раньше космонавтики. Свойство генерировать заряды под действием света обнаружилось у селена еще в XIX веке. Но в те годы мало где можно было применить солнечные батареи. Через 100 лет, уже во время зарождения космонавтики, появляются более эффективные устройства на основе кремния. Когда советские инженеры искали источник энергии для первого спутника, они случайно наткнулись в женском журнале на рекламу керосиновой лампы на солнечной батарее, да еще и со встроенным радиоприемником. То есть вечером, после захода солнца, можно было зажечь светильник, а днем от света солнца через пластинку кремния можно запитать и послушать радио. Работало это плохо, но идея понравилась, и началась работа по улучшению устройства и приспособлению его для полета в космос. Третий советский спутник под названием «Объект Д» уже имел на своем борту несколько маленьких солнечных батарей, которые помогали приборам проработать дольше. Спутник, или, как его еще называли, первая научная лаборатория в космосе, проработал три недели, а в удачные дни даже после разрядки аккумуляторов некоторые системы передавали радиосигналы на Землю. Можно сказать, что первый технический эксперимент на околоземной орбите оказался удачным. После этого инженеры активно взялись за совершенствование солнечных батарей. Сейчас без них не летает ни один спутник. Правда, они уже используют не кремний, а более эффективный материал – смесь галлия и мышьяка.

Всего за десять лет прогресс был огромным. Чаще всего экспериментальная апробация новых технологий велась на спутниках связи (например, «Молния»), пилотируемых космических аппаратах и орбитальных станциях. Очень интересными были испытания гибких солнечных батарей. На станцию «Мир» их привезли целый рулон, космонавты установили его на внешней части станции, после чего механизм развернул его. Потихоньку солнечные батареи стали появляться в несложных переносных устройствах, калькуляторах, электронных часах и т. д. В 1990–2000‐х годах благодаря прорыву в области материаловедения (он был совершен в том числе благодаря экспериментам в невесомости, которые будут описаны ниже) солнечные батареи стали использоваться как полноценные электростанции. Сейчас их можно увидеть на столбах городского освещения и светофорах, на крышах домов и электромобилей, на рюкзаках путешественников.

Параллельно с солнечными батареями развивалась инженерная мысль в области создания механизмов их развертывания. Стояла задача – придумать, как можно спрятать в узкую ракету-носитель панели площадью несколько сотен квадратных метров.

В советском корабле-спутнике солнечные батареи были не такими большими, но уже умели раскладываться. Принцип напоминал процесс раскрытия веера: шесть секций круга накладывались друг на друга, а потом сдвигались на угол от центрального соединения. Это был самый простой вариант. Спутники, созданные на платформе АМОС, например «Прогноз», использовали механизм раскрытия, напоминающий бутон и лепестки цветка. В сложенном виде спутник имел вид пирамиды, а при выходе на орбиту треугольные панели выпрямлялись поперек корпуса в направлении Солнца. Космические аппараты на платформе КАУР, например «Гео-ИК», раскрывались, как зонт.

Для спутников связи требовался гораздо больший массив солнечных батарей. Панели приходилось складывать, как бумажные оригами, складка за складкой. Первый экспериментальный полет был неудачным: система тросов, которая с помощью натяжения должна была все распрямить, замерзла. В дальнейшем эти проблемы были решены. Сейчас чаще всего применяется складывание гармошкой. Ферменные конструкции специальным образом укреплялись. На корабле «Союз‐1» случилось заклинивание – узлы из-за трения не могли распрямиться. Так что даже при использовании достаточно известных типов конструкций и соединений все было не так просто.

Для возможных в будущем более масштабных работ с применением складных ферм в СССР провели целую серию экспериментов. Самыми известными стали «Эра», «Рапана» и «Софора» на станции «Мир».

«Эра» была развернута в 1988 году. Ферма представляла собой шестигранную призму длиной четыре метра, которая должна была установиться самостоятельно при включении системы электродвигателей. От космонавтов Александра Волкова и Жана-Лу Кретьена требовалось вынести ее наружу и закрепить на корпусе станции, а от Сергея Крикалёва – нажать на кнопки. Однако, как часто бывает, эксперимент пошел не по плану. «Эра» не раскрылась. Попытки ее «потрясти» включением и выключением с помощью электродвигателей не помогли. Космонавтам предложили ударить по системе чем-нибудь тяжелым, чтобы сдвинуть ее с места. Волков несколько раз стукнул по «Эре» свинцовой пяткой скафандра, и дело пошло.

Следующая ферма была развернута на «Мире» через два с половиной года.

«Софора» имела внушительную длину – 14 с половиной метров. Собиралась она из 20 отдельных секций, которые фиксировались двумя диафрагмами и V-образными муфтами. Они были сделаны из особого материала с памятью формы, и монтаж был заодно испытанием нового вещества. Память формы – это свойство некоторых сплавов при нагреве приобретать изначально заложенную форму. В данном случае – муфта из смеси титана и никеля изначально прямая с закруглением на концах, которую согнули перед полетом в виде буквы V, а уже в открытом космосе сложенные секции соединялись муфтами и нагревались до +120 °C. Муфты распрямлялись, а секции фиксировались в нужном положении. Также важно отметить, что ферма строилась параллельно станции, а затем с помощью шарнирного механизма, закрепленного на корпусе, поднималась вертикально. Наконец, для придания законченного вида, основание закреплялась замками. Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский возвели эту огромную для космоса (да и для Земли) конструкцию в неудобных скафандрах, в невесомости, за пять