Валентин Козырев - Полеты по программе «Интеркосмос»
Специалисты Института физики твердого тела АН ЧССР и ряда советских научных организаций совместно разработали методику проведения экспериментов. Причем чехословацкие коллеги выбрали и подготовили для них материалы, кварцевые ампулы и металлические капсулы. Перед доставкой капсул с ампулами на борт «Союза-28» аналогичные им опытные экземпляры были подвергнуты всесторонним испытаниям на Земле: тряске на вибростенде, ударным нагрузкам до 100 g, нагреву, имитирующему ход эксперимента. И лишь успешно сдав эти «экзамены», комплексный эксперимент «Морава» получил путевку в космос.
Первый эксперимент в данной серии — изучение процесса затвердевания расплава двух веществ, представляющего собой эвтектику[3]. При этом один из компонентов содержался в расплаве в избытке. В этом случае процесс затвердевания проходил в два этапа: кристаллизация из расплава основного компонента и последующее отвердевание остаточной эвтектики.
В качестве основного компонента был выбран анизотропный кристалл хлористого свинца, поскольку на нем проще проследить влияния температурного перепада и гравитационного поля. Вторым изучаемым веществом стал кристалл бромида ртути, обладающий чрезвычайно высокими значениями параметра связи в кристаллической решетке. Изучение этих двух веществ составляло содержание первого этапа технологического эксперимента «Морава».
Второй этап эксперимента состоял в изучении анизотропного оксихлорида висмута, приготовленного методом выращивания из жидкой фазы в условиях невесомости, а третий этап — в исследовании затвердевания и образования стекловидной системы, представленной полупроводниковым стеклом с тетраэдрической структурой решетки (в состав которой входят атомы германия, сурьмы и серы). Цель последнего исследования заключалась не только в определении условий образования стекла в состоянии невесомости, но также в изучении процессов зародышеобразования и разделения фаз, протекающих в стеклянной матрице, и определении влияния этих процессов на основные физические характеристики получаемых материалов.
Эксперимент проходил следующим образом. Чехословацкий космонавт В. Ремек поместил контейнер с исследуемыми веществами в электронагревательную установку «Сплав», доставленную на орбитальную станцию «Салют-6» с помощью грузового транспортного корабля «Прогресс-1». Установка «Сплав» была размещена вблизи корпуса орбитальной станции, неподалеку от центра тяжести всего научного комплекса. В ходе эксперимента весь орбитальный комплекс ориентировался так, чтобы его продольная ось была направлена к центру Земли.
Для повышения «чистоты» эксперимента в наиболее ответственные периоды кристаллизации на орбитальном комплексе выключались все системы и агрегаты, вызывающие колебания станции, сводились к минимуму даже перемещения космонавтов. Поэтому в эти решающие для эксперимента периоды времени сила тяжести по всем трем направлениям была несущественной и составляла не более 10–6 — 10–7g.
В контейнере, представляющем собой герметический стальной цилиндр длиной 172 мм и диаметром 17 мм, находились в кварцевых ампулах (в условиях вакуума) образцы исследуемых материалов. После помещения контейнера в цилиндрическую полую печь начиналось нагревание образцов с таким расчетом, чтобы температура в контейнере росла до тех пор, пока не достигала величины выше точки плавления исследуемых материалов (в первой серии это были системы «хлористый свинец — хлористая медь» и «хлористый свинец — хлористое серебро»).
Максимальный нагрев в экспериментах «Морава» достигал 500 °C. После достижения максимальной температуры началось ее регулируемое снижение. Причем максимальная температура достигалась примерно через 24 ч после начала эксперимента, а затем в режиме охлаждения возникал процесс затвердевания. Охлаждение длилось около 20 ч со скоростью примерно 11 °C в 1 ч. Таким образом, весь рабочий цикл составлял около двух суток.
Одновременно в ЦПК им. Ю. А. Гагарина специалисты СССР и ЧССР провели наземную часть эксперимента. Она по своей сути обратна космической: если в космосе нужно было свести к минимуму силу земного тяготения, то здесь с помощью центрифуги исследовались рост и направленное затвердевание кристаллических материалов при различных перегрузках. Располагая контейнер с исходным веществом то по вектору углового ускорения, то перпендикулярно ему, специалисты сравнивали структуру и свойства материалов, полученных при различных взаиморасположениях направления перегрузки с осью кристаллизации.
Наземный эксперимент на центрифуге был осуществлен на установке «Кристалл», работающей по методу направленной кристаллизации. Однако в отличие от установки «Сплав» процесс здесь происходит в условиях фиксированного теплового поля, а изменение зон нагрева достигается перемещением ампулы с материалом, которое осуществляется механически в соответствии с требуемой программой. Сопоставление результатов всего комплекса экспериментов «Морава» помогло определить зависимость свойств материалов от гравитационных условий их получения и выработать рекомендации по созданию перспективных технологических соединений.
Микроскопическое исследование структуры материалов, полученных одновременно в условиях космического полета и на Земле (при прочих идентичных условиях), показывает, что кристаллы, выращенные в космосе, меньше, чем аналогичные кристаллы, полученные на Земле. Причина заключается в том, что в космосе миграция ионов в расплаве происходит лишь путем диффузии: именно такое влияние оказывает невесомость на процесс зародышеобразования и роста кристаллов из жидкой фазы. Влияние же невесомости на эвтектические растворы противоположно: кристаллы обеих фаз эвтектики больше, чем полученные на Земле.
Процесс затвердевания кристаллов в космосе подвержен влиянию микрогравитации. И хотя она была мала в данном эксперименте, но все же на внешней поверхности образца можно заметить следы воздействия радиальной составляющей микрогравитации, зарегистрированной в ходе эксперимента. Оказывается, что поле тяготения порядка 10–6g достаточно, чтобы повлиять на конфигурацию атомов в исследованной расплавленной системе, а также на процесс затвердевания.
Следующий эксперимент относился к медико-биологическим. С целью изучения кислородного режима в тканях человека, находящегося в условиях невесомости, был проведен советско-чехословацкий эксперимент «Кислород». Он выполнялся с помощью прибора «Оксиметр», разработанного специалистами ЧССР.
У человека и животных для сохранения и поддержания достаточного количества энергии непрерывно должны протекать процессы окисления, требующие постоянного притока кислорода. Длинный и сложный путь поступления кислорода в ткани организма определяется согласованной функцией легочного дыхания и кровообращения. И если динамика поступления кислорода в легкие и его перенос кровью изучены достаточно хорошо, то наука мало что знает о том, где и как происходит «стыковка» кислорода с тканями живого организма и как используется кислород тканевыми ферментами. Важнейшим показателем взаимодействия этих двух процессов является так называемый уровень напряжения в тканях организма.
В условиях невесомости наступает перераспределение крови из нижних участков тела в верхние, возникает переполнение кровью сосудов головы и верхней части тела. Это может сказаться на кислородном снабжении различных участков тела и изменении кислородного насыщения крови, а следовательно, и тканей организма. С помощью прибора «Оксиметр» с набором специальных датчиков, позволяющего вести исследования кислородного режима ткани, в эксперименте «Кислород» выяснялось, как изменяется уровень напряжения кислорода в тканях во время космического полета и изменяется ли в процессе полета доставка кислорода в ткани космонавта. Кроме того, изучался характер потребления кислорода тканями в полете.
Полученные в ходе эксперимента «Кислород» данные позволяют оценить интенсивность окислительных процессов в тканях космонавта в условиях невесомости, т. е. тех процессов, которые являются показателем интенсивности энергетического обмена в организме, что имеет существенное значение для оценки эффективности профилактических мероприятий, проводимых на борту пилотируемых аппаратов.
Следующий эксперимент из серии медико-биологических, «Опрос», был подготовлен специалистами СССР, ЧССР и ПНР. В ходе полета международного экипажа эксперимент проводился дважды: космонавты ответили на вопросы специального медико-психологического опросника о состоянии здоровья и воздействии внешней среды на психическую деятельность, о выполнении поставленных задач. Материалы данного эксперимента позволяют оценить изменения в субъективной сфере человека, адаптирующегося к необычным факторам окружающей среды, и будут использоваться при дальнейшем совершенствовании условий проживания и деятельности человека в замкнутом объеме.
