Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
А как будет влиять на смазку деталей и механизмов OKC отсутствие кислорода в космической среде? С одной стороны, это обстоятельство можно считать благоприятным, поскольку в, смазке не будет образовываться вредный отстой вследствие реакции масла или жира с кислородом. С другой стороны, без кислорода на трущихся поверхностях не образуется окисная пленка. Между тем экспериментально установлено, что смазка осуществляется благодаря химической реакции между металлом поверхности и входящими в состав масла жирными кислотами. Эти реакции протекают только при наличии окисной пленки и усиливаются в присутствии кислорода и воды. Невозможность протекания таких реакций в условиях космической среды будет также ухудшать процесс смазки.
Разрабатываемые в настоящее время принципиально новые виды смазок найдут широкое применение на opбитальных станциях. Например, смазочным материалом в вакууме может быть тонкая пленка из мягкого металла (рис. 29), помещенная между двумя трущимися деталями. Сила трения F при этом будет небольшой, так как нагрузка давления будет восприниматься на небольшой площади контакта А и при небольшом касательном напряжении S. В качестве материала для такой смазывающей пленки в особо ответственных сочленениях можно использовать серебро или золото.
Рис. 29. Влияние структуры трущихся деталей на величину силы трения
В качестве вакуумной смазки может быть применен и твердый материал — сернистый молибден, структуру которого такова, что атомы серы допускают проскальзывание разных слоев металла относительно друг другу.
Внедрение смазки твердыми материалами связано с определенными трудностями. Во-первых, коэффициент трения твердых смазок все-таки намного выше, чем жидких. Это приводит к большому выделению тепла, которое к тому же трудно отвести, поскольку нет обычного при жидкой смазке протока масла. Во-вторых, твердые смазки не так живучи, как жидкостные смазочные системы, в которых масло постоянно очищается и обновляется. Тонкие пленки твердой смазки подвержены значительному износу и не способны самовосстанавливаться. Простое утолщение пленки не решает проблемы живучести, так как, чем толще пленка, тем труднее обеспечить надежное ее сцепление с основной поверхностью. Получение хорошего сцепления твердой смазывающей пленки выдвигает особые требования к чистоте обработки поверхности трения.
В некоторых подвижных деталях оборудования ОКС можно будет вообще обойтись без смазки. В состоянии невесомости на опоры не будет действовать нагрузка от веса деталей, поэтому важно лишь обеспечить небольшие усилия трения, а прочностные требования отступают в этом случае на второй план. Это значит, что детали таких агрегатов можно сделать из легких органических материалов, имеющих низкие коэффициенты трения. Некоторые пластики, например тефлон и нейлон, уже используются в качестве материала для самосмазывающихся шестерен и подшипников в самолетостроении. Тефлон, мягкий, но стойкий термопластик, обладает из вcex известных твердых веществ наименьшим коэффициентом трения (0,04). Для повышения сопротивляемости износу детали из тефлона обычно армируют металлическими волокнами, графитом, стеклянным порошком или сернистым молибденом. Применяют его и в качестве смазывающего наполнителя. Пористые металлические поверхности, наполненные тефлоном, имеют такой же коэффициент трения, как и чистый тефлон, и отлично противостоят деформациям и износу. Фрикционные свойства нейлона несколько хуже, чем тефлона, но зато он более тверд и износоустойчив.
Необходимо отметить все же, что использование для смазки узлов конструкции ОКС пластических материалов ограничивается их невысокой антирадиационной стойкостью.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В КОСМОСЕ
Длительное функционирование научной ОКС невозможно без развитой сети энергоснабжения на борту станции.
Пока еще не представляется возможной передача энергии с Земли прямо на борт орбитального корабля. Использование электромагнитных колебаний для беспроводной передачи энергии на расстояние дало бы, по некоторым оценкам, суммарный к. п. д. всего лишь около 0,02 %. Правда, большие возможности в этом отношении таит изобретение последних лет — квантовый генератор. Концентрация энергии в пучки высокой плотности обещает целую революцию в области передачи энергии.
А пока конструкторам ОКС приходится решать проблему источника энергии, который обладал бы качествами, свойственными всему космическому оборудованию. Электростанция орбитальной станции должна обладать чрезвычайно высокой надежностью при длительном сроке непрерывной работы, она должна быть полностью автоматизирована и иметь относительно небольшой вес. Кроме того, источник энергии на борту ОКС должен быть высокоэкономичным и не реагировать на специфические факторы космического полета (невесомость, радиацию, метеорную опасность и т. п.).
Как известно, создать энергию нельзя. Ее можно лишь откуда-то получить и соответствующим образом преобразовать. Но где же брать энергию в космосе? Может ли источник ее находиться непосредственно на борту ОКС или энергию нужно получать извне?
Прежде чем ответить на эти вопросы, следует получить хотя бы некоторое представление о потребностях ОКС в электроэнергии.
Основные потребители тока — это научно-исследовательское и специальное техническое оборудование, система обеспечения жизнедеятельности экипажа, радиоаппаратура связи с Землей или какими-либо космическими объектами, а также различные вспомогательные установки, например для управления ориентацией станции, для коррекции и изменения ее орбиты.
Потребная мощность элементов оборудования может быть различной — от долей ватта до нескольких киловатт. Но обычно приборы, проектируемые специально для использования в космосе, потребляют относительно небольшие мощности. Так, например, устанавливаемый на некоторых американских спутниках Земли детектор космического излучения потребляет 2 вт, магнетометр — 5 вт, счетчик микрометеоров — 2,5 вт, масс-спектрограф — 17 вт, аппаратура активного ретранслятора радиосигналов — 10 вт и т. д.
По-разному оценивается мощность, необходимая для поддержания условий жизнедеятельности экипажа на борту ОКС. Иностранные специалисты чаще всего здесь называют цифры 100–500 вт, иногда 1000 вт на человека [31].
Значительную долю мощности источника электропитания будут потреблять радиоаппаратура связи с Землей при передаче на Землю и обратно различной научной информации, а также системы радиосвязи с космическими кораблями-путешественниками, системы навигации и др. Мощность отдельных элементов электронной аппаратуры может составить лишь несколько десятков ватт. Но телевизионная связь с Землей потребует нескольких сот ватт, активная же многоканальная ретрансляция — нескольких киловатт, а может быть, и десятков киловатт.
Двигатели коррекции орбиты, управления станцией на орбите или изменения параметров орбиты также потребуют нескольких киловатт мощности.
Суммарная мощность бортовых электростанций на большинстве искусственных спутников США колеблется от 0,3 до 150 вт. Однако здесь нужно заметить, что оборудование большинства американских спутников довольно невелико по объему ввиду малого веса полезной нагрузки их ракет-носителей. Значительно выше мощность энергоустановки на обитаемых космических кораблях. Например, средняя мощность, потребная для орбитального полета американской пилотируемой капсулы «Меркурий», составляет около 260 вт, максимальная потребляемая мощность — не более 1 квт.
Для ОКС потребная мощность источника энергии будет еще выше: от 0,8–1 квт для небольшой станции с экипажем из одного — двух человек и до 50-100 квт для крупной орбитальной лаборатории.
Одной из трудностей в проектировании космической энергоустановки является необходимость периодически обеспечивать мощности, значительно большие, чем обычные средние потребляемые нагрузки, — так называемые пиковые нагрузки, которые могут превосходить номинальные в два — три раза. Если на борту ОКС иметь установку с постоянным потреблением энергии, которая может обеспечить пиковые нагрузки, то, очевидно, большую часть времени она будет работать с существенной недогрузкой. А это лишний вес, так как вес энергетической установки пропорционален ее мощности.
В связи с этим некоторые авторы предлагают иметь в системе энергоснабжения ОКС две энергоустановки: главную — для длительной непрерывной эксплуатации, обеспечивающую среднюю потребляемую нагрузку, и дополнительную — для кратковременной работы при пиковых нагрузках. Источник питания, рассчитанный на редкое и кратковременное применение, может быть, например, аккумулятором энергии, который подзаряжается от главного источника при невысокой загруженности последнего. Дополнительная энергоустановка имеет небольшой вес, а в целом наличие ее при оптимальном соотношении мощностей обоих источников даст возможность получить выигрыш в весе всей энергоустановки.
