Укрощение «Вулкана»

Экипаж космического корабля «Союз-6»: бортинженер Валерий Кубасов, командир Георгий Шонин. Фото из книги «Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди». – М., 2005

В октябре нынешнего года исполнилось 45 лет со времени проведения первого в мире эксперимента по электросварке в условиях космического полета – «Вулкан». О том, что предшествовало этому событию, в беседе с журналистом Николаем ДОРОЖКИНЫМ рассказывает непосредственный участник подготовки эксперимента – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник РКК «Энергия» Олег ЦЫГАНКОВ. В то время он был конструктором и испытателем Института электросварки имени Е.О. Патона.

– Олег Семенович, какое значение имел этот эксперимент для развития технологий?

– Это был первый шаг в процессе зарождения нового направления, которое получило название «космическая технология». Сварка – один из основных технологических процессов в космическом машиностроении. Сварка плавлением – уникальный техпроцесс, обеспечивающий одновременно прочность и герметичность соединения при минимуме количества и веса деталей в стыке.

Многомодульные космические объекты не выводятся на орбиты в проектной конфигурации. Завершение создания орбитальных станций вынесено из сборочных цехов и осуществляется в условиях орбитального полета. Для этого используется технология сборки-стыковки с механическим стягиванием соединяемых объектов и герметизацией стыка неметаллическими уплотнениями. В то же время заваривание стыка (где это целесообразно) позволило бы повысить его долговечность, 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 поверхности Луны, Марса, астероидов сможет обойтись без сварных соединений. Все это лучше многих видел и понимал Сергей Павлович Королев, который в марте 1965 года перед полетом космического корабля «Восход-2», отвечая журналистам на вопрос о необходимости выхода человека в открытый космос, сказал: «…летая в космосе, нельзя не выходить в космос… Мы, например, думаем всерьез над тем, что космонавт, вышедший в космос, должен уметь выполнить все необходимые 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».

– То, что электросварка вышла в космос именно из нашей страны – это случайно или закономерно?

– Это историческая закономерность. Все развитие электросварки в России обусловлено достижениями отечественных ученых и инженеров. Еще в 1802 году русский ученый, электротехник В.В. Петров использовал для сварки металлов вольтову дугу. Далее, в 1885 году Н.Н. Бенардос осуществил сварку металлов угольным неплавящимся электродом, а в 1888 году Н.Г. Славяновым была предложена дуговая сварка металлическим плавящимся электродом.

В ХХ веке пошли дальше: в 1929 году Е.О. Патон организовал сварочную лабораторию, в 1932 году К.К. Хренов провел дуговую сварку 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 индустриализации. Сварщики страны внесли весомый вклад и в победу в Великой Отечественной войне в деле изготовления и ремонта бронетехники, и в послевоенное строительство.

– С чего начиналась история космической сварки?

– Уже в 1964 году Королевым была поставлена задача – разработать программу экспериментов по сварке в космических условиях. Об этом свидетельствует телеграмма, посланная им своим заместителям 29 ноября 1964 года. Оперативно был составлен план совместных работ между ОКБ-1, которое возглавлял Сергей Павлович, и Институтом электросварки имени Е.О. Патона (ИЭС АН УССР), который имел опыт разработки крупнейших и уникальных по сложности проектов в области сварки, в том числе и королевских изделий, и располагал необходимым научно-техническим потенциалом. Им была поручена головная роль по решению этой проблемы. Так было положено начало новой научно-технической отрасли – космической технологии.

Исследования по космической тематике были начаты в ИЭС АН УССР под руководством академика Бориса Патона – директора института и президента АН УССР – как отклик на заказ Королева. Так в 1964 году было положено начало тесному сотрудничеству между академиками Б.Е. Патоном и В.П. Мишиным, В.П. Глушко, Ю.П. Семеновым.

До начала этих исследований не были известны ни технологии обработки расплавленных металлов в условиях невесомости, ни литература о возможности выполнения каких-либо технологических процессов в космосе. На начальном этапе разработки этой темы специалисты провели теоретический анализ известных методов получения неразъемных соединений, чтобы выбрать наиболее перспективные. Наряду с технологическими критериями исследователи руководствовались также требованиями, обусловленными применением в космосе: безопасность, высокая надежность, малое энергопотребление, минимальные массогабаритные характеристики оборудования и др.

Без сварки при создании будущих орбитальных станций не обойтись. Иллюстрация из буклета «Humbolt Kosmos». 2008

– В чем же заключались особенности космической сварки и родственных технологий?

– В понятие «сварочные операции» мы включаем нагрев, плавление, пайку, нанесение покрытий и резку материалов. В космосе выполнение этих процессов усложняется в связи с такими особенностями окружающей среды, как вакуум, микротяжесть и экстремальная температура. Уровень давления атмосферы в районе орбит космических станций составляет 1Ч10-2-1Ч10-4 паскалей. Этот диапазон давления освоен наземной промышленностью в электроннолучевой и диффузионной сварке. Но космический вакуум отличается близкой к бесконечной скоростью откачки. В жидкой или газообразной фазе вещества микрогравитация обусловливает отсутствие плавучести, гравитационной конвекции и ряд других физических явлений. В то же время на передний план выходят термокапиллярная конвекция, поверхностное натяжение и другие эффекты.

Обрабатываемая в космосе деталь или конструкция подвергается воздействию температур в интервале 150–500 К; менее интенсивный тепломассообмен приводит к тому, что зоны с большой разницей температур могут быть расположены близко друг от друга. Один из ключевых вопросов в области термической обработки материалов – выбор способа их нагрева. Наиболее перспективным способом был признан электроннолучевой.

– Проводилась ли наземная отработка экспериментальной методики?

– Разумеется, проведению космических экспериментов предшествовала их отработка на Земле в условиях, имитирующих космические (микрогравитация, вакуум, переменная освещенность, градиент температур, ультрафиолетовое излучение и т.п.). Большую часть экспериментов впервые провели на борту самолета – летающей лаборатории, позволяющей создавать кратковременную (до 30 секунд) микротяжесть.

Для обеспечения ручной или полуавтоматической сварки требовались особые технологии и аппаратура. При этом очевидно, что операции по монтажу и ремонту космических объектов, если заранее не определены зоны работ и виды повреждений, могут быть выполнены только вручную, непосредственно космонавтом.

Было проработано много конструкций сварочного оборудования и вариантов его размещения на космическом корабле. В конце концов объединили в одной установке сварочные устройства, автоматику и источник питания. Это стало эффективным архитектурно-компоновочным решением.

– Насколько богатым был к этому времени опыт электроннолучевой сварки вручную?

– Никакого опыта не было. В промышленной практике того времени вообще отсутствовала идея использования электроннолучевой сварки (ЭЛС) в ручном варианте. А преимущества электроннолучевой технологии в виде ручного инструмента в условиях космического пространства были бесспорными. Потому что космическая среда обеспечивает наличие вакуума, что необходимо для электронного луча, а сам электронный луч служит высокоэффективным источником нагрева. Он обеспечивает возможность работать со всеми применяемыми металлами, в том числе и с тугоплавкими, что важно в условиях стремления к минимизации энергопотребления. Чрезвычайно важна также безопасность для космонавта, так как процесс практически не сопровождается образованием брызг.

Оставался открытым вопрос, сможет ли космонавт, находясь в скафандре, выполнять четкие координированные движения с таким высококонцентрированным источником нагрева в руке. Для наземной отработки ручных технологических операций были созданы специальные стенды, содержащие фрагмент скафандра с гермошлемом, рукавами и перчатками, воспроизводящие наддув скафандра. Эти стенды стали незаменимыми при отработке действий и подготовке космонавтов, работающих со сложной технологической аппаратурой, предназначенной для использования экипажем в процессе внекорабельной деятельности.

– Каковы же были итоги космического эксперимента?

– Проведенный 16 октября 1969 года эксперимент в космосе дал много интересного материала для совершенствования конструкции сварочной аппаратуры и уточнения технологии процесса сварки. Эксперимент этот проведен был экипажем космического корабля «Союз-6» в составе бортинженера Валерия Кубасова и командира Георгия Шонина. Эта космическая экспедиция проходила с 11 по 16 октября. Эксперимент по сварке металлов в условиях космического пространства был проведен впервые в мире. Главным итогом его стало то, что он позволил сделать выбор в пользу электронно-лучевой сварки и электронно-лучевого нагрева как наиболее перспективного в космических условиях. Кроме того, подтвердилось, что системы и механизмы установки «Вулкан» большей частью работоспособны, то есть при проектировании были приняты правильные конструкторские решения. Эксперимент показал, что сварка и резка металлов в условиях микрогравитации и космического вакуума возможны. Значит, эти процессы можно использовать при ремонтных и монтажных работах в космосе.

– Этот вывод был подтвержден на практике?

– Да, это было сделано 15 лет спустя, во время первого выхода в открытый космос космонавта Светланы Евгеньевны Савицкой. Она провела эксперимент УРИ (универсальный ручной инструмент) по ручной электронно-лучевой сварке, что само по себе также явилось сенсационным результатом. Впервые в истории техники электронный луч, управляемый рукой человека, работал в космическом пространстве!

Телеграмма, направленная академиком С.П. Королевым своим заместителям 29 ноября 1964 года. 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 четвертый 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 еще на 2 года: 1967–1968. 3. В проекте плана недостаточно уделяется внимания энергетике, необходимой для сварки в особых условиях, и в частности, использованию солнечных концентратов и других источников. Этот раздел надо сделать самостоятельным и сильно развить его. Работы надо начинать немедленно. В плане совершенно 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 емкость, 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 образцов 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, еще до отъезда академика Б.Е. Патона в командировку, и получить его согласие. Прошу также передать ему лично мои добрые пожелания. (Архив РКК «Энергия» им. С.П. Королева, № 15129)

Эксперимент «Вулкан» «Экипаж «Союза-6» провел уникальный и, как оказалось, очень опасный (!) эксперимент по электросварке металлов на борту корабля с помощью установки «Вулкан». Эксперимент проводился следующим образом. Сначала космонавты подготовили к работе сварочную установку, расположенную в бытовом отсеке корабля (БО). Затем они перешли в спускаемый аппарат (СА) и закрыли за собой люк между СА и БО. После этого БО был разгерметизирован. С пульта космонавты включили установку «Вулкан», которая работала в автоматическом режиме по заложенной в ней программе, в соответствии с которой должно было быть поочередно осуществлено несколько видов электросварки на разных образцах металлов. Когда работа установки была завершена, космонавты наддули бытовой отсек, открыли люк... и ахнули! Установка «Вулкан» поначалу сварила несколько образцов металлов, но затем произошел какой-то сбой – и она прожгла насквозь монтажный стол, «добралась» до корпуса бытового отсека и оплавила его внутреннее декоративное покрытие! Бортинженер В. Кубасов сразу оценил всю опасность сложившейся ситуации: алюминиевый корпус отсека мог быть поврежден и от внутреннего давления в любой момент мог просто треснуть, что привело бы к «взрывной» разгерметизации всего корабля, а скафандров у экипажа не было. Прихватив необходимые вещи, приборы и некоторые сварочные образцы, экипаж быстро вернулся в спускаемый аппарат и загерметизировал за собой переходный люк. К счастью, все обошлось – бытовой отсек остался цел, но космонавты до самой посадки уже не решались в него входить». (Источник: энциклопедия «Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди» / Под ред. Ю.М. Батурина, М.: «РУСофт», 2005. – 752 с.)