Проблемы освоения космоса

Большой интерес представляют проекты вращающихся космических  антенн, в которых раскрытие и  сохранение формы зеркала обеспечивается за счет центробежных сил при вращении антенны вокруг фокальной оси  с постоянной угловой скоростью.

В этом случае каркас выполняется  в виде сетки из гибких нитей с  радиально-кольцевой разбивкой и  прикрепляется к центральной  выдвижной штанге. Вращающиеся конструкции  имеют компактную укладку. Максимальные размеры для таких антенн, работающих в метровом диапазоне радиоволн, могут достигать 1,5 – 2,0 км. Правда, по жесткости и достижимой точности отражающей поверхности вращающиеся конструкции существенно уступают механическим.

Существуют также проекты  космических антенн на основе надувной конструкции, в которой каркас выполняется  в виде надувного тора о двумя прикрепленными к нему поверхностями (отражающей и вспомогательной), изготовленными из синтетических пленок. Натяжение поверхностей обеспечивается созданием избыточного давления в замкнутой полости, образуемой этими поверхностями, а сохранение геометрических размеров антенн – сеткой из гибких кварцевых нитей, прикрепленной к отражающей поверхности. По достижимой точности отражающей поверхности надувные конструкции не отличаются от вращающихся, но имеют несколько меньшую относительную массу.

К перспективным типам  космических антенн относятся конструкции, в которых поддержание формы  происходит за счет электростатических (или магнитных) сил. Отражающая поверхность  такой антенны из металлической  сетки параболической или сферической  формы крепится к жесткому кольцу, а за ней размещается вспомогательная  коническая поверхность из металлизированной  пленки, наносимой отдельными участками, разделенными радиальными и кольцевыми просветами. Под действием противоположных по знаку зарядов поверхности притягиваются друг к другу и приобретают необходимую форму. Электростатические антенны имеют одинаковые геометрические размеры с раскрывающимися механическими антеннами при меньшей относительной массе и могут применяться также в качестве концентраторов солнечной энергии.

Проекты космических платформ рассматриваются для перспективных  многоцелевых спутников прикладного  назначения. Размещение на них различной  целевой аппаратуры и приборных  блоков на базе общих служебных систем энергопитания, ориентации, стабилизации и терморегулирования позволит в  целом сократить затраты на разработку и эксплуатацию таких космических  аппаратов. Во всех проектах космических  платформ, исходя из условий обеспечения  достаточно высокой прочности и  жесткости каркаса при сравнительно небольшой массе, рассматривается  механическая конструкция типа пространственных стержневых ферм, составленная из унифицированных  элементов. Основные размеры многоцелевых платформ (длина и ширина) могут  составлять от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Для СБ в принципе могут применяться те же конструкции, что и для космических антенн. Однако использование электростатического способа поддержания формы конструкции в СБ сопряжено с большим риском возникновения электростатического пробоя. Наибольшее распространение для СБ на данном этапе получили механические конструкции. Обычно применяются автоматически раскрывающиеся СБ панельного типа. С появлением пленочных, гибких СБ стало возможным их выведение в космическое пространство в компактном виде (например, в рулонах) с последующим развертыванием с помощью выдвижных штанг, центробежных сил или надувных конструкций. В настоящее время СБ по своим размерам в развернутом положении – самые крупные космические сооружения. Развертывание в космосе таких перспективных сооружений, как ССЭ, возможно только на базе ферменных платформ, автоматически собираемых на орбите.

Космические сооружения для  обитаемых лунных баз имеют много  общего с орбитальными пилотируемыми  комплексами. Жилые сооружения должны быть разбиты на герметичные отсеки и снабжены шлюзовыми камерами для  выхода космонавтов. Поскольку отсеки будут находиться под внутренним давлением, то из условия максимальной прочности и минимальной массы  они должны иметь выпуклую форму. Наиболее приемлемой формой жилых сооружений на поверхности Луны является купольная. В качестве специфических условий строительства на Луне могут быть использование лунного грунта для защиты сооружений от радиации и метеоритов и активное использование цвета сооружений для регулирования теплообмена с внешней средой посредством изменения степени излучения.

Особенностью разработки КГК является необходимость учета  всех действующих на них (при развертывании  и эксплуатации) внешних и внутренних сил, которыми часто пренебрегают ввиду  их малости для космических конструкций  небольших размеров. Внешние нагрузки, возникающие при сборочно-монтажных  операциях и транспортировке  КГК в космосе, вызываются корректирующими  усилиями при управлении ориентацией  КГК, корпускулярным давлением солнечного излучения, а для объектов, функционирующих на низкой околоземной орбите (высотой 200 – 500 км), также аэродинамическими силами. Внешние нагрузки могут привести к возникновению изгибающих моментов и колебаниям конструкции.

Существенными для КГК  становятся также приливные силы, растягивающие конструкцию по оси, проходящей через центр ее масс и  центр Земли. Объясняется это: тем, что с расстоянием от Земли  сила земного притяжения уменьшается, а центробежная сила растет, поэтому  при равенстве этих сил в центре масс КГК они не будут уравновешены на периферийных участках конструкции (удаленных от Земли и ближних  к ней). Если бы ориентация КГК при  эксплуатации не имела значения, то действием приливных сил можно  было бы пренебречь, но большинство  КГК (космические антенны, орбитальные  платформы, космические переотражатели, ССЭ) нуждаются в строгой ориентации, и в этом случае приливные силы создают нежелательный вращающий момент. В результате при выдерживании ориентации КГК с заданной точностью возникают также колебания конструкции.

С целью предотвращения резонансных  явлений собственная частота  колебаний проектируемых КГК  должна быть существенно выше частоты  колебаний, вызываемых внешними силами. Поэтому необходима регламентация  внешних нагрузок, а также повышение  жесткости конструкции за счет подбора  материалов с нужными характеристиками.

К наиболее распространенным внутренним нагрузкам, действующим  на КГК, относятся температурные  напряжения, которые возникают вследствие воздействия солнечного излучения  на освещенном участке орбиты и его  отсутствия в тени, а также теплоизлучения отдельных подсистем объекта. Неравномерный  нагрев и вызванные этим температурные  деформации КГК – серьезная проблема. Решить ее можно путем снижения среднеравновесной температуры конструкции за счет сброса излишков тепла в космос (подбор покрытий) и использования материалов с малым коэффициентом линейного расширения. Менее подвержены температурным напряжениям вращающиеся КГК за счет выравнивания тепловых нагрузок.

Повышенные требования к  КГК предъявляют космический  вакуум и радиация. Недостатком надувных КГК является возможность их разгерметизации  при пробое метеороидом, в результате чего они теряют работоспособность. В будущем, если удастся разработать вспенивающиеся и самозатвердевающие материалы с необходимыми характеристиками, они найдут широкое применение в космосе. Для вращающихся КГК особую проблему представляет создание двигателей, редукторов и подшипников для длительной работы в условиях открытого космоса.

На современном этапе  основным требованиям, предъявляемым  к КГК (легкость, прочность, жесткость  пространственной структуры, низкий коэффициент  линейного расширения, высокий декремент  собственных колебаний, хорошие  усталостные характеристики), наиболее полно отвечают композиционные материалы  на основе углепластиков и конструкции  типа пространственных стержневых ферм.

Технология сборки КГК в космосе. Сборка и развертывание КГК на орбите – качественно новый и технически сложный этап в развитии космической техники. Наряду с инженерными решениями по выбору типа а расчету конструкции, подбору необходимых материалов, определению рациональной технологии соединения элементов КГК и сборки ее необходимо разработать специальное оборудование для сборочно-монтажных операций в космосе и создать специальные диагностические методики и бортовую аппаратуру для проведения на орбите неразрушающего контроля состояния КГК. Необходимо научиться надежному долгосрочному прогнозированию поведения элементов КГК при длительной работе в открытом космосе с учетом воздействия всех факторов окружающего космического пространства.

Принципиально монтаж КГК  в космосе может выполняться  в вариантах развертывания на орбите уже готовой, собранной на Земле конструкции или ее сборки из отдельных элементов, изготовленных  на Земле. В перспективе возможна сборка КГК из элементов, изготовляемых  непосредственно на сборочной площадке в космосе из полуфабрикатов, доставляемых с Земли. В настоящее время  уже накоплен некоторый опыт проведения сборочно-монтажных работ в космосе  по первым двум вариантам развертывания  КГК.

Это уже упомянутый ранее  эксперимент на станции «Салют-6»  в 1979 г. по монтажу радиотелескопа KPT-10, который при доставке на орбиту был  разбит на три отдельных блока: главное  зеркало с каркасом из алюминиевых  стержней и металлической сеткой в качестве отражающей поверхности, фокальный контейнер с облучателем  и тремя раздвижными опорами  и механизм крепления антенны  к станции. Большой практический интерес представляют эксперименты по монтажу и развертыванию дополнительных крупногабаритных панелей фотоэлементов солнечных батарей на станции «Салют-7» общей площадью 18.4 м² и на станции «Мир» – 26 м².

В эксперименте «Маяк», выполненном  в открытом космосе на станции  «Салют-7» в. 1986 г, космонавтами Л. Кизимом и В. Соловьевым, был охвачен широкий спектр опытов по сборке и развертыванию на орбите несущих ферменных конструкций. Впервые испытывался в космосе разработанный и изготовленный институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР специальный фермосборочный агрегат УРС, внутри которого была компактно уложена шарнирно-рычажная ферма, способная развернуться на длину до 15 м и в таком состоянии нести специальную платформу с. полезной нагрузкой.

Одновременно испытывался  тоже созданный институтом им. Е. О. Патона модифицированный универсальный  ручной инструмент УРИ для резки, сварки, пайки и напыления металлов в открытом космосе (первые испытания  УРИ проводились на станции «Салют-7»  в 1984 г.). С помощью УРИ можно  осуществить сварку или пайку  шарнирных соединений фермы, что  дополнительно повысит ее жесткость  и несущую способность. Кроме  этих экспериментов, проводились испытания  аппаратуры «Микродеформатор» для изучения физико-механических свойств конструкционных материалов КГК, подвергающихся длительным и сложным нагрузкам в условиях открытого космоса.

Исследования и эксперименты по крупногабаритным космическим конструкциям проводятся и в США. Например, заслуживает  внимания эксперимент, осуществленный в 1985 г. на борту космического корабля  «Спейс Шаттл» (23-й полет), в котором американские космонавты вручную собирали и разбирали на вращающемся стапеле из трубчатых элементов «башню» в виде прямой треугольной призмы высотой 13,7 м. Для крепления элементов использовались пружинные замки.

С ростом объема монтажно-сборочных  работ в космосе будет повышаться уровень их автоматизации и будет развиваться вариант сборки КГК с изготовлением конструкционных элементов на орбите из полуфабрикатов, доставляемых с Земли. Для этого необходимо будет создание специальных автоматизированных машин по изготовлению отдельных элементов конструкции, например, цилиндрических решетчатых элементов (геодезических балок) или трехгранных стержневых ферм протяженностью до нескольких сот метров, которые будут использоваться в качестве основных строительных деталей КГК. А для повышения производительности сборочных работ на орбите в помощь космонавтам-монтажникам потребуются дистанционные роботы-манипуляторы.

В настоящее время разработано  несколько проектов таких фермопостроительных агрегатов. Так, например, имеется американский проект автомата по непрерывному изготовлению трехгранных ферм из рулонированного материала типа углепластика. В процессе работы агрегата ленты, из которых изготовляются лонжероны, сматываются с трех бобин и, проходя через нагревательное устройство, поступают на валки, где из них формируются профили треугольного сечения. После охлаждения и затвердевания в холодильной камере эти профили подаются на место сборки с элементами раскосной решетки.

Эта решетка изготавливается  на Земле из специально раскроенного плоского листа и также наматывается на три бобины. Материал решетки  при работе фермопостроителя с бобин через нагреватель поступает в устройство типа пресса, где формируются элементы поперечного сечения, которые затем, так же как лонжероны, охлаждаются и присоединяются к последним с помощью ультразвуковой сварки. Для управления и контроля за работой агрегата предусмотрена автоматическая система с обратной связью, включающая в свой состав соответствующие датчики, сервомеханизмы, электронные приспособления и бортовую ЭВМ.

Важную роль при высоком  уровне автоматизации сборочных  работ в космосе играют надежные автоматически защелкивающиеся  разъемные соединения, которые упрощают операции по сборке и ремонту КГК  на орбите и при этом не требуют  дополнительных энергетических затрат. Для удобства проведения сборочных  работ в космосе монтаж КГК  предполагается проводить на специальных  строительных платформах, оснащенных различным вспомогательным оборудованием. Сборка относительно небольших КГК будет проводиться с «одного места» при перемещении или развороте собираемой конструкции.

В случае монтажа очень  больших КГК типа ССЭ строительная платформа сама будет перемещаться вдоль собираемой конструкции. По одному из проектов такая платформа размером 100 × 50 м при высоте 5 м будет включать несколько дистанционных манипуляторов, осуществляющих сборку по автономной программе с помощью ЭВМ, различные монтажные приспособления, станцию обслуживания, а также автоматы типа фермопостроителей. Инженерная мысль, опережая возможности современной техники, уже сейчас решает проблемы будущего космического строительства.