background image
четверг
k
139, 4 декабря 2014 г.
ПОИСКИ, НАХОДКИ, РАЗМЫШЛЕНИЯ, ИЗОБРЕТЕНИЯ
Город науки
Через тернии к звздам!
В ы п у с к 99
g o r o d n a u k i @ b k . r u
Редактор выпуска Н.Я. ДОРОЖКИН, научный обозреватель Калининградской правды
Это был первый шаг в процессе
зарождения нового направления, кото
рое получило название космическая
технология. Сварка один из основ
ных технологических процессов в кос
мическом машиностроении. Сварка
плавлением уникальный техпроцесс,
обеспечивающий одновременно проч
ность и герметичность соединения при
минимуме количества и веса деталей в
стыке. Многомодульные космические
объекты не выводятся на орбиты в про
ектной конфигурации. Завершение со
здания орбитальных станций вынесено
из сборочных цехов, МИКов и осуще
ствляется в условиях орбитального по
лта. Для этого используется техноло
гия сборки стыковки с механическим
стягиванием соединяемых объектов и
герметизацией стыка неметаллически
ми уплотнителями. В то же время зава
ривание стыка (где это целесообразно)
позволило бы повысить его долговеч
ность, а также демонтировать агрегаты
системы стыковки для многократного
применения.
Перспективность этого направления
несомненна, так как вряд ли в будущем
какое либо крупное строительство в
космическом пространстве или на по
верхности Луны, Марса, астероидов
сможет обойтись без сварных соеди
нений. Вс это лучше многих видел и
понимал Сергей Павлович Королв,
который в марте 1965 года перед пол
том космического корабля Восход 2,
отвечая журналистам на вопрос о не
обходимости выхода человека в от
крытый космос, сказал: летая в кос
мосе, нельзя не выходить в космос
Мы, например, думаем всерьз над тем,
что космонавт, вышедший в космос,
должен уметь выполнить все необхо
димые ремонтно производственные
работы, вплоть до того, что произвести
нужную там сварку и так далее. Это не
фантастика, это необходимость. Чем
больше люди будут летать в космосе,
тем больше эта необходимость будет
проявляться.
Расплавленный металл и электронный луч
в космическом пространстве управлялся рукой человека
К 45 летию эксперимента Вулкан
В октябре текущего года исполнилось 45 лет со времени
проведения первого в мире эксперимента Вулкан по элек
тросварке в условиях космического полта. О том, что пред
шествовало этому событию, рассказывает непосредствен
ный участник подготовки эксперимента
доктор техниче
ских наук, профессор, главный научный сотрудник РКК Энер
гия О.С. Цыганков, в то время конструктор и испытатель
Института электросварки имени Е.О. Патона.
Олег Семнович, то, что электро
сварка вышла в космос именно из на
шей страны это случайно или зако
номерно?
Это историческая закономер
ность. Вс развитие электросварки в
России обусловлено достижениями
отечественных учных и инженеров.
Ещ в 1802 году В.В. Петров использо
вал для сварки металлов вольтову дугу.
Далее, в 1885 году, Н.Н. Бенардос осу
ществил сварку металлов угольным
неплавящимся электродом, а в 1888
году Н.Г. Славяновым была предложе
на дуговая сварка металлическим пла
вящимся электродом. В ХХ веке пошли
дальше: в 1929 году Е.О. Патон органи
зовал сварочную лабораторию, в 1932
году К.К. Хренов провл дуговую свар
ку под водой, то есть в новой среде. А
в 1934 году Е.О. Патон организовал
Институт электросварки. Дальнейшее
развитие сварочной науки и техники
происходило в период индустриализа
ции. Сварщики страны внесли весо
мый вклад и в победу
над фашизмом в Вели
кой Отечественной вой
не, в деле изготовления
и ремонта бронетехни
ки, и в послевоенное
строительство.
С чего начиналась
история космической
сварки?
Уже в 1964 году
С.П. Королвым была
поставлена задача
разработать програм
му экспериментов по
сварке в космических
условиях. Об этом сви
детельствует телеграм
ма, посланная им сво
им заместителям 29
ноября 1964 года. Опе
ративно был составлен
план совместных работ между ОКБ 1 и
Институтом электросварки им Е.О. Па
тона (ИЭС АН УССР), который имел
опыт разработки крупнейших и уни
кальных по сложности проектов в об
ласти сварки, в том числе и королвс
ких изделий, и располагал необходи
мым научно техническим потенциа
лом. Ему и была поручена головная
роль по решению этой проблемы. Так
было положено начало новой научно
технической отрасли космической
технологии.
Исследования по космической те
матике были начаты в ИЭС АН УССР
под руководством академика Б.Е. Па
тона директора института и прези
дента АН УССР как отклик на заказ
С.П. Королва. Так, в 1964 году было
положено начало многолетней совме
стной работе ИЭС им. Е.О. Патона и
ОКБ 1 (РКК Энергия им. С.П. Коро
лва) по космическим технологиям,
тесному сотрудничеству между акаде
миками Б.Е. Патоном и В.П. Мишиным,
В.П. Глушко, Ю.П. Семновым.
До начала этих исследований не
были известны ни технологии обра
ботки расплавленных металлов в усло
виях, имитирующих невесомость, ни
литература о возможности выполне
ния каких либо технологических про
цессов в космосе. На начальном этапе
разработки этой темы специалисты
провели теоретический анализ извест
ных методов получения неразъмных
соединений, чтобы выбрать наиболее
перспективные. Наряду с технологи
ческими критериями исследователи
руководствовались также требования
ми, обусловленными применением в
космосе сварки. Имеются в виду безо
пасность, высокая наджность, малое
энергопотребление, минимальные мас
согабаритные характеристики обору
дования и др.
В чм же заключались отечествен
ные достижения по космической свар
ке и родственным технологиям?
В понятие сварочные операции
мы включаем нагрев, плавление, пай
ку, нанесение покрытий и резку мате
риалов. В космосе выполнение этих
процессов усложняется в связи с таки
ми особенностями окружающей сре
ды, как вакуум, микротяжесть и экст
ремальные температуры. Уровень дав
ления атмосферы в районе орбит кос
мических станций составляет 110
2
110
4
Па. Этот диапазон давлений ос
воен наземной промышленностью в
электронно лучевой и диффузионной
сварке. Но космический вакуум отли
чается близкой к бесконечной ско
ростью откачки. В жидкой или газооб
разной фазе веществ микрогравита
ция обусловливает отсутствие плаву
чести, гравитационной конвекции и ряд
других физических явлений. В то же
время на передний план выходят тер
мокапиллярная конвекция Марангони,
поверхностное натяжение и другие
эффекты. Обрабатываемая в космосе
деталь или конструкция подвергаются
воздействию температур в интервале
150
500 К; менее интенсивный тепло
массообмен приводит к тому, что зоны
с большой разницей температур могут
быть расположены близко друг от дру
га. Одним из ключевых вопросов в об
ласти термической обработки матери
алов является выбор способа их нагре
ва. Наиболее перспективным спосо
бом был признан электронно лучевой.
Проводилась ли наземная отра
ботка экспериментальной методики?
Разумеется, проведению косми
ческих экспериментов предшествова
ла их отработка на Земле в условиях,
имитирующих космические (микрогра
витация, вакуум, переменная освещн
ность, градиент температур, ультрафи
олетовое излучение и т. п.). Большую
часть экспериментов впервые провели
на борту самолта летающей лабо
ратории, позволяющей создавать крат
ковременную (до 30 секунд) микротя
жесть. Для обеспечения ручной или
полуавтоматической сварки требова
лись особые технологии и аппаратура.
При этом очевидно, что операции по
монтажу и ремонту космических объек
тов, если заранее не определены зоны
работ и виды повреждений, могут быть
выполнены только вручную, непосред
ственно космонавтом. Было прорабо
тано множество конструкций свароч
ного оборудования и вариантов его
размещения на космическом корабле.
В конце концов объединили в одной
установке сварочные устройства, ав
томатику и источник питания. Это ста
ло эффективным архитектурно ком
поновочным решением.
Насколько богатым был к этому
времени опыт электронно лучевой
сварки вручную?
Никакого опыта не было. В про
мышленной практике того времени
вообще отсутствовала идея использо
вания электронно лучевой сварки
(ЭЛС) в ручном варианте. А преимуще
ства электронно лучевой технологии в
виде ручного инструмента в условиях
космического пространства были бес
спорными. Потому что космическая
среда обеспечивает наличие вакуума,
что необходимо для электронного луча,
Телеграмма, направленная академиком С.П. Королвым
своим заместителям 29 ноября 1964 года
1. Предлагаемый проект программы и совместного плана работ по теме Сварка
в космических условиях между ОКБ и Институтом им. Е.О. Патона АН УССР может
быть положен в основу договора между названными организациями.
2. Особенный интерес представляет четвртый этап работы, но он затянут
окончанием на 1967 и на 1968. Это недопустимо поздно! Надо план работ
построить пока что поначалу на 2 года: 1965 и 1966. И можно предусмотреть
на осень 1966 совместное обсуждение результатов и по итогам продление
наших работ ещ на 2 года: 19671968.
3. В проекте плана недостаточно уделяется внимания энергетике, необходи
мой для сварки в особых условиях и, в частности, использованию солнечных
концентратов и других источников. Этот раздел надо сделать самостоятель
ным и сильно развить его. Работы надо начинать немедленно. В плане совер
шенно нет конкретных работ по сварке в особых условиях даже через 2 года.
Хотелось бы сварить хотя бы в 1966 что то получше для наших объектов,
может быть, тот же концентратор либо мкость, может быть, шлюз для выхода,
раму для установки приборов наружного наблюдения и даже для той же
сварки. Словом, надо подумать, как перейти от исследования простых образ
цов к делу, пусть пока небольшому на первых порах.
4. Считаю, что просимый институтом вес сварочных устройств в целом
можно довести до 25 кг и оговорить, что для каждого опыта исходные данные,
в том числе и вес, взаимно согласовываются.
5. Надо оговорить, что в программу и в принятый план по взаимному
согласованию могут вноситься необходимые изменения и дополнения.
6. Прошу вас как можно скорее мои замечания сообщить в Институт сварки,
ещ до отъезда академика Б.Е. Патона в командировку, и получить его согла
сие. Прошу также передать ему лично мои добрые пожелания.
(Архив РКК Энергия им. С.П. Королва, 15129)
а сам элетронный луч служит высоко
эффективным источником нагрева,
обеспечивающим возможность рабо
тать со всеми применяемыми металла
ми, в том числе и с тугоплавкими, что
важно в условиях стремления к мини
мизации энергопотребления. Чрезвы
чайно важна также безопасность для
космонавта, так как процесс практи
чески не сопровождается брызгообра
зованием.
Оставался открытым вопрос, смо
жет ли космонавт, находясь в скафан
дре, выполнять чткие координирован
ные движения с таким высококонцен
трированным источником нагрева в
руке. Для наземной отработки ручных
технологических операций были созда
ны специальные стенды, содержащие
фрагмент скафандра с гермошлемом,
рукавами и перчатками, воспроизво
дящие наддув скафандра. Эти стенды
стали незаменимыми при отработке
действий и подготовке космонавтов,
работающих со сложной технологиче
ской аппаратурой, предназначенной
для использования экипажем в про
цессе внекорабельной деятельности.
Каковы же были итоги космиче
ского эксперимента?
Проведнный 16 октября 1969
года эксперимент в космосе дал много
интересного материала для совершен
ствования конструкции сварочной ап
паратуры и уточнения технологии про
цесса сварки. Главным итогом экспе
римента стало то, что он позволил сде
лать выбор в пользу электронно луче
вой сварки и электронно лучевого на
грева как наиболее перспективного в
космических условиях. Кроме того,
подтвердилось, что системы и меха
низмы установки Вулкан большей
частью работоспособны, то есть при
проектировании были приняты пра
вильные конструкторские решения.
Эксперимент показал, что сварка и рез
ка металлов в условиях микрогравита
ции и космического вакуума возмож
ны. Значит, эти процессы можно ис
пользовать при ремонтных и монтаж
ных работах в космосе.
Этот вывод был подтверждн на
практике?
Да, это было сделано 15 лет спу
стя, во время первого выхода в откры
тый космос космонавта Светланы Ев
геньевны Савицкой. Она провела экс
перимент УРИ (универсальный ручной
инструмент) по ручной электронно лу
чевой сварке, что само по себе также
явилось сенсационным результатом.
Впервые в истории техники электрон
ный луч, управляемый рукой человека,
работал в космическом пространстве!
Событие 16 октября 1969 года
повлияло и на вашу трудовую биогра
фию?
Да. Так получилось, что после
эксперимента Вулкан я стал сотруд
ником ЦКБЭМ/РКК Энергия им. С.П.
Королва, где работаю и по сей день.
Беседовал Николай ДОРОЖКИН
О.С. Цыганков, доктор технических наук,
заслуженный конструктор РФ, академик
РАКЦ, лауреат Премии Правительства РФ,
главный научный сотрудник РКК Энер
гия им. С.П. Королва.
Академик Б.Е. Патон, президент НАН
Украины, директор ИЭС им. Е.О. Патона.
Стенд для исследования сварочных процессов в условиях невесомости (1965 г.).
Четвртый слева О.С. Цыганков.