Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
И все же надо полагать, что электромагнитный и электростатический способы противорадиационной защиты будут служить хорошим дополнением к пассивной защите экранированием. А в будущем, при полетах к другим планетам, быть может, они станут основным средством борьбы с радиационной опасностью.
Метеорные тела. Атмосфера надежно защищает поверхность Земли от еще одного «властелина» космоса — метеоров, метеорных дождей и потоков космической пыли. Подходя к поверхности Земли, большинство из этих посланцев космоса сгорает при входе в атмосферу на высоте 40-120 км.
До недавнего времени наши представления об истинных размерах метеорных потоков на больших высотах основывались лишь на оптических и радиолокационных наблюдениях. Только в последние годы благодаря многочисленным запускам исследовательских ракет, спутников и космических кораблей были получены обширные сведения, позволившие более строго подойти к оценке той опасности, которую представляют метеоры при продолжительных полетах людей в космосе.
Частицы космического вещества распределяются в пределах солнечной системы неравномерно и имеют самые различные физические свойства. Пока более или менее изучены метеорные потоки лишь в околоземной части межпланетного пространства, но они-то и представляют наибольший интерес с точки зрения создания ОКС. Обшивка орбитальных станций будет подвержена бомбардировке частицами различных размеров и массы.
Осколки больших метеорных тел, изредка достигающие земной поверхности, называются метеоритами. Они имеют относительно высокие плотности — от 2 г/см3 (плотность камня) до 8 г/см3 (плотность железа). Метеорные частицы кометного происхождения, составляющие 89 % в общем метеорном потоке, имеют, судя по косвенным оптическим и радиолокационным измерениям, гораздо меньшую плотность — ниже 0,05 г/см2 (плотность только что выпавшего снега). Около 10 % общего числа метеорных тел, встречающихся в околоземном пространстве, составляют осколки рассыпавшихся астероидов. Лишь 1 % всех метеорных частиц имеет галактическое происхождение.
Плотность метеора определяют обычно с Земли оптическими методами по яркости его свечения. Скорости метеорных потоков вблизи Земли достигают огромных величин — от 11 до 76 км/сек, причем, как полагают, наиболее интенсивно метеорные потоки действуют в плоскости эклиптики.
В чем же заключается метеорная опасность при полетах в космос? Продолжительные полеты искусственных спутников Земли показали, что вероятность столкновения в космосе с крупными метеорными телами весьма мала. Более реальную угрозу для экипажа и конструкции корабля представляют мелкие твердые частицы. При столкновении, их с обшивкой ОКС в ней могут образоваться сквозные пробоины, что может вызвать разгерметизацию кабины.
Метеорные частицы имеют самые различные размеры и вес. Наиболее крупные из них, весом от 510–3 до 2•10–5 г и диаметром от 1 до 0,2 см, составляют в общем потоке лишь около 0,3 %.
При проектировании обшивки ОКС нельзя забывать о том, что вероятность попадания микрометеора возрастает с увеличением размеров станции. Кроме того, толщина обшивки в значительной мере влияет на вес полезной нагрузки всей станции. Поэтому толщина обшивки должна быть выбрана оптимальной, причем ограничением является, с одной стороны, вес обшивки, с другой — возможность пробивания ее метеорными телами.
Учитывая, что вероятность попадания этих частиц в ОКС невелика, полет станции практически можно будет считать безопасным в течение длительного времени. Несмотря на это, конструкторам космических станций придется преодолеть немало трудностей при создании прочных и легких обшивок. Для этого им необходимо знать возможные глубины проникновения микрометеоров в различные материалы. Все эксперименты в этом направлении проведены пока что при скоростях метеорных частиц до 8 км/сек и плотностях материалов больших, чем это необходимо. Существует много различных оценок пробивных свойств микрометеоров. По опубликованным данным [21], глубина проникновения микрометеора в дюралевую обшивку в среднем равна 7,5 d, а в стальную — 4,4 d, где d- диаметр метеора. Тогда по средневероятностной оценке размеров метеоров для обшивки ОКС потребуется толщина 4,8 мм для дюраля (вес 1 м2 обшивки 12,6 кг) и 2,8 мм для стали (вес 1 м2 обшивки 21,4 кг).
В зависимости от размеров пробитого отверстия и объема внутренних помещений ОКС воздух будет с той или иной скоростью вытекать наружу. Расчеты показывают, что в среднем скорость падения давления (декомпрессии) в помещении ОКС при пробивании обшивки метеорным телом, как правило, будет не настолько значительной, чтобы космонавты не успели принять необходимые защитные меры: перейти в запасную кабину (если таковая имеется) или надеть специальный скафандр.
Конструкторы ищут пути уменьшения вероятности пробоя обшивки космических кораблей путем подбора лучших материалов и создания специальных конструкций обшивки. Из новых материалов, выгодных с точки зрения уменьшения веса обшивки и способных более или менее успешно противостоять метеорным телам, можно назвать бериллий, магний, титан. Каждый из них имеет, конечно, и свои недостатки. Например, магний при нагреве теряет свои прочностные свойства, поэтому он может быть применен лишь в том случае, если конструкция ОКС не будет возвращаться на Землю. Кроме того, предполагается использовать самогерметизирующиеся при пробое резиновые материалы, наносимые на металлическую обшивку и предохраняющие от утечки воздуха при пробое, как это делается в авиации для герметизации баков.
Рис. 24. Схема многослойной антиметеорной защиты: 1 — тонкая внешняя стенка; 2 — толстая внутренняя стенка; 3 — «запечатывающий» материал; 4 — бандаж; 5 — сепаратор из фольги
Весьма перспективным способом антиметеорной защиты является применение многослойной обшивки, состоящей из нескольких листов металла, разделенных промежутками. Защитные листы можно сделать очень тонкими, и суммарный вес многослойной обшивки будет во много раз меньше веса однослойной защиты. В простейшем случае такая обшивка состоит из двух стенок. Внешняя стенка, выполненная, например, из бериллия, — тонкая — толщиной всего 0,3–0,5 мм; она предназначена для поглощения энергии микрометеоров низкой плотности. Толщина внутренней стенки, также бериллиевой, будет выбрана в соответствии с обычными условиями непробиваемости для определенного размера частиц в течение заданного времени.
Многослойную обшивку ОКС можно сделать еще более тонкой и легкой, если промежутки между стенками заполнить резиновым материалом или специальным веществом, способным «запечатывать» пробоины, например кипящим при понижении давления. Многослойная обшивка с «запечатывающим» заполнителем показана в разрезе на рис. 24.
Хотя пробивание обшивки микрометеором даже при длительном существовании ОКС можно считать весьма редким явлением, с которым к тому же можно довольно успешно бороться, тем не менее метеорную опасность нельзя недооценивать. Кроме того, постоянное воздействие мелких метеорных частиц на различные поверхности приведет к их эрозии, т. е. к уносу материала с поверхности обшивки. При проектировании ОКС с периодом существования более одного года придется, вероятно, учитывать возможное уменьшение толщины обшивки вследствие эрозионного действия попавших в обшивку станции метеорных тел. Вероятно, эрозии будет подвергаться и разнообразное оборудование научной космической станции: наружные линзы оптических приборов, поверхности излучателей и солнечных коллекторов.
ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА?
Любая форма живой материи немыслима вне той среды, к существованию в которой она приспособлена, причем более высокоорганизованные формы жизни являются и более требовательными к постоянству состава и свойств внешней среды.
Отрасль биологии, занимающаяся изучением взаимоотношения живых организмов с окружающей их средой, называется экологией. Наука поставила перед учеными и инженерами сложнейшую проблему: как обеспечить человеку вне Земли длительную работоспособность, как создать в космической пустыне, в невесомости условия, пригодные для жизни и работы?
Протекание жизненных процессов в человеческом организме основано на преобразовании одних форм энергии в другие, которое сопровождается химическими превращениями веществ. Так, при совершении мускульной работы входящие в состав человеческого организма углеводы и жиры (вещества с высоким уровнем энергии) превращаются в воду и углекислый газ (вещества с низким уровнем энергии). Освобождающаяся при этом энергия идет на получение полезной механической работы. Кроме того, часть энергии выделяется и рассеивается в виде тепла. Убыль энергии восполняется затем вводом в организм новых жиров и углеводов. Это пример одного из многочисленных проявлений так называемого метаболизма — круговорота веществ в живом организме при взаимодействии его с внешней средой.
