Магнитная уздечка для невесомости

Без заменителей гравитации в космосе человеку не обойтись.
Фото NASA

Космическая фантастика предсказывала, что в невесомости гравитацию заменят магниты, но реальная космонавтика до сих пор не очень-то оправдывала эти прогнозы. По мнению некоторых специалистов, в окружающей космонавта среде почти нет ферромагнитных материалов, а влияние магнитного поля на человека и приборы вызывает опасения. Да и сложно управлять усилием постоянных магнитов из-за малости их масс и габаритов. Однако вновь созданные магнитосодержащие устройства свободны от этих недостатков и обладают особыми преимуществами по сравнению с любыми другими структурами. О перспективах использования постоянных магнитов в условиях космического полета в беседе с Николаем ДОРОЖКИНЫМ рассказывает ведущий научный сотрудник РКК «Энергия» имени С.П.Королева, доктор технических наук, профессор Олег ЦЫГАНКОВ.

– Олег Семенович, известно, что невесомость очень сильно влияет на труд и повседневную жизнь космонавтов. Взять хотя бы бесконтрольный дрейф различных предметов внутри и снаружи орбитальной станции┘ Как бороться с этим, казалось бы, пустяковым неудобством?

– Как раз в этой связи была поставлена задача обеспечения возможности оперативной фиксации всей окружающей космонавта предметной среды, а также рационализации сборочных операций при дооснащении орбитальной станции (ОС) и ремонтных работах. Для быстродействующего соединения и скрепления твердых тел в условиях космического полета используются различные способы и средства.

Например, для сборки/стыковки модулей ОС между собой и с космическими кораблями задействован сложный электромеханический агрегат. Используются также механические, адгезионные, электростатические, пневмовакуумные способы и эластичные неметаллические материалы. Вполне естественно было обратиться и к явлению магнетизма. Магнетизм и невесомость как бы существуют во Вселенной почти в соответствии с диалектическим законом единства и борьбы противоположностей.

Особенность постоянных магнитов – их способность стабильно и практически неограниченно долго хранить однажды запасенную энергию, то есть служить источником магнитного поля без притока электрической энергии. В этом качестве постоянные магниты находят применение в радиоэлектронике, электротехнике, связи и других областях.

– А применительно к поставленной задаче?

– Здесь представляют интерес устройства, в которых магнитная энергия, запасенная в системе с постоянными магнитами, используется для создания механической силы или выполнения механической работы. К ним относятся магнитные плиты, замки, муфты, сепараторы, подъемные устройства. Их применение стало возможным благодаря созданию новых магнитных материалов, особенно сплавов кобальта и редкоземельных элементов. В частности, постоянные магниты на основе сплава самария и кобальта (SmCo5) – во всех отношениях наиболее эффективный материал для силовых магнитных систем (СМС), которые могут использоваться в космических условиях.

В системе с постоянным магнитом величина силового воздействия зависит от типа материала, размеров магнита и скорости изменения рабочего зазора. За исключением характеристик материалов магнита и магнитопроводов, все параметры, определяющие магнитную систему, являются геометрическими. Значит, если выбор материала не вызывает затруднений, то проектирование СМС сводится к определению ее оптимальной конфигурации. Очевидный признак оптимальности магнитной системы – минимальные зазоры в конструкции. Как правило, величина рабочего зазора диктуется условиями поставленной задачи, а технологические зазоры не должны превышать 0,1–0,15 мм.

– Чем привлекательны СМС для космической техники?

– Их достоинства – высокая надежность и возможность создания больших усилий без потребления энергии от внешних источников. При необходимости действие усилия может быть прекращено благодаря коммутации магнитного потока внутри системы с минимальными затратами энергии.

Силовое взаимодействие в магнитных системах замечательно тем, что необязателен вещественный контакт между взаимодействующими частями конструкции. Это позволяет создавать устройства для передвижения по вертикальным и потолочным ферромагнитным поверхностям. В случаях, когда исключено применение электрической энергии ввиду повышенной взрывоопасности, постоянный магнит может оказаться единственным средством решения задачи.

Основные требования, предъявляемые к космическим магнитно-фиксирующим системам, – соответствие функциональным возможностям космонавта в скафандре в условиях невесомости, безопасность, эффективность и минимальные массо-габаритные характеристики.

Экспериментальные оценки подтвердили: правильным выбором геометрии магнита можно добиться того, что влияние такого магнитного поля на радиоэлектронные приборы и слаботочные цепи отсутствует.

– А на человеческий организм?

– Всё живое строго адаптировано к магнитной компоненте среды обитания. Поле постоянных магнитов – самый безопасный вид электромагнитного поля из всех возможных. Его биотропные параметры – напряженность, экспозиция, локализация, вектор, градиент. Когда геометрические размеры источника поля небольшие, воздействие поля на человека имеет весьма ограниченный характер, а вектор и градиент могут не приниматься во внимание.

Таким образом, основные биотропные параметры для СМС с небольшими постоянными магнитами – напряженность и время воздействия поля на человека. В повседневной жизни человек имеет дело с полями, явно превосходящими значение геомагнитного поля. В предложенных же СМС магнитное поле локализовано, а величины возможных напряженностей много ниже адаптационных значений для человека.

– А насколько сложно проектирование СМС?

– Как говорится, хороший вопрос! Интерес к применению СМС в технике постоянно расширяется, а кажущаяся простота приводит к тому, что зачастую за проектирование берутся специалисты, недостаточно знакомые с вопросами их расчета и конструирования. В результате – большие трудности в обеспечении эффективности устройств. Здесь важно понимать, что СМС есть частный случай электромеханической системы с магнитным полем. Я могу об этом судить, поскольку сам занимался разработкой оснастки с использованием СМС для сварочных полуавтоматов, участвовал в разработке магнитошагающего сварочного агрегата для вертикальных и потолочных швов, а также установки и технологий для магнитно-импульсной обработки материалов. Этот опыт позволил добиться успеха в разработке СМС для космических условий, получен целый ряд авторских свидетельств на изобретения┘

Работоспособность в натурных условиях наших разработок подтверждена экспериментом «ИСТОК-3», проведенным на орбитальной станции «Салют-7» с экспонированием в открытом космосе семейств магнитосодержащих устройств в течение девяти месяцев в 1985–1986 годах.

Практически принципиально новый класс устройств обладает присущими только им преимуществами: автоматизация процесса стыковки (самостыковка) на основе магнитного притяжения; быстродействие; закрепление объекта в заданном положении; осуществление подвижной связи (типа сферического или цилиндрического шарниров) между соединяемыми элементами; независимость от внешних источников энергии; практическая безотказность. Размыкание замка осевым усилием без штатного отключения может быть осуществлено только разрушением конструкции нагрузкой более 400 килограмм-силы.

Разработаны устройства для размещения и фиксации инструментов, крепежных изделий и других элементов технологической среды; сборки стержне-трубчатых конструкций; фиксации космонавта в заданной рабочей позиции; фиксации экспонируемых объектов. Комплект из двух магнитосодержащих дисков обеспечивает бесконтактное дальнодействие с зазором 10 мм, что позволяет фиксировать, ориентировать по азимуту и перемещать по неферромагнитной поверхности экспонируемые снаружи ОС объекты через гермооболочку и слой теплоизоляции. Имеются также экспериментальные конструкции самоориентирующихся полуразъемов электросоединителей.

– Как могут использоваться СМС для перемещения космонавта в невесомости?

– Для ходьбы по «тропе» из тонколистового ферромагнитного материала могут быть использованы отключаемые СМС, смонтированные на обуви скафандра; отключение производится путем постепенного отсоединения одного из полюсов. Такой подход представляется вполне реализуемым в условиях ничтожных значений гравитации – на Фобосе или астероидах.

– Будет ли расширяться использование СМС в космосе?

– Несомненно. Перспективы их применения можно предвидеть не только при нулевой гравитации, в невесомости (g = 0), но и в условиях 0,16 g на Луне и 0,38 g на Марсе при формировании инфраструктуры на этих небесных телах: в сооружениях, транспортных магистралях, энергокоммуникациях, при сборке солнечных батарей большой площади, крупных астрономических приборов, систем связи и других работах.