Советско-французское сотрудничество в космосе
Шрифт:
В основе программы первого «MAC» лежал эксперимент по изучению поведения тонкослойных элементов солнечных батарей в условиях космоса.
На первом спутнике «MAC», который у французских исследователей получил еще дополнительное название «Селлюль солэр» («Солнечные элементы»), установлены тонкослойные сернисто-кадмиевые теллуро-кадмиевые батареи. Они на 20 % легче использовавшихся ранее, обладают более высоким коэффициентом полезного действия, экономически выгоднее.
На этом «MAC» были установлены и обычные кремниевые батареи для энергопитания спутника. Сравнение характеристик этих батарей с характеристиками экспериментальных источников энергии должно было позволить определить скорость износа различных элементов и их защитных покрытий.
Первый спутник «MAC» (масса 15,4 кг) имеет форму многогранника высотой 562 мм. На четырех из восьми рабочих граней спутника смонтированы испытываемые батареи, на других четырех — служебные батареи. Спутник также имеет бортовую телеметрическую систему для передачи на Землю информации в процессе проведения эксперимента.
Проверка и испытание изготовленного французскими специалистами спутника проводились сначала во Франции, с помощью стационарной и переносной аппаратуры. При этом искусственно создавались космический вакуум, солнечная радиация, температурные условия космоса. Затем спутник был доставлен в Москву, где группа советских и французских специалистов вновь по полной программе «проэкзаменовала» малый автономный спутник. И эта, и последующие проверки, уже на космодроме, показали, что спутник готов к космическому рейсу.
4 апреля 1972 г. с помощью одной советской ракеты-носителя на орбиту вокруг Земли были выведены спутник «Молния-1» и французский спутник «MAC». Орбита спутника «MAC» очень вытянута: апогей 39 260 км, перигей 480 км. При движении по такой орбите спутник проходит зоны с меняющимся уровнем радиации, и ученые могут оценить влияние различного воздействия радиации на работу солнечных батарей. Одновременно исследуется и другой фактор орбитального полета — резкое изменение температуры: двигаясь по орбите, спутник то нагревается солнечными лучами, то резко охлаждается, попадая в тень Земли.
Продолжительность активного функционирования спутника «MAC» была рассчитана на один год, однако спутник проработал дольше — до 13 июня 1973 г. В результате эксперимента получена ценная информация о функционировании испытываемых солнечных батарей за время работы спутника.
Основной задачей программы полета спутника «МАС-2» была проверка эффективности пассивной системы охлаждения. Дело в том, что для нормальной работы инфракрасных детекторов на метеорологических спутниках требуется достаточно низкая температура. Конечно, такое охлаждение можно сделать «принудительным», используя вспомогательную систему охлаждения. Но можно пойти по более рациональному пути: применить температурные условия самой космической среды, создав, таким образом, пассивную систему охлаждения.
Система была создана в виде «колодца» в теле спутника, на «дне» которого установлен инфракрасный детектор. Ось «колодца» совпадала с осью вращения спутника. Спутник «МАС-2», на котором испытывалась эта система, был запущен. 5 июня 1975 г. Пассивная система работала нормально до 15 ноября 1975 г. Затем началось резкое повышение температуры, и только после-20 марта 1976 г. система стала вновь достаточно охлажденной. Эти изменения обусловливались разной величиной угла между осью вращения спутника и направлением на Солнце (назовем его угол А). Во время полета он изменялся согласно графику на рис. 7. 15 ноября 1975 г. и 20 марта 1976 г. угол А равнялся 65°, а в промежутке между этими датами был меньше 65°. Если обратить внимание на график температуры в точке установки датчика (рис. 8), то можно увидеть, что между этими же датами температура резко возрастала. Таким образом, можно сделать вывод, что выбранная система охлаждения эффективна, если угол между осью вращения спутника, вдоль которой расположена данная система, и направлением на Солнце больше 65°.
Рис. 7. Изменение угла А во время полета спутника «МАС-2»
Наряду с основной задачей, определением эффективности пассивной системы охлаждения, на спутнике «МАС-2» были продолжены работы по изучению поведения в условиях космоса тонких пленок из различных материалов, начатые еще во время полета «МАС-1».
Космическое материаловедение. 25 марта 1979 г. на борту орбитальной станции «Салют-б» космонавты Владимир Ляхов и Валерий Рюмин начали цикл экспериментов по космическому материаловедению под общим названием «ЭЛЬМА». При этом на советском оборудовании испытывались материалы, подготовленные во французских лабораториях.
На ежегодном совещании в Ленинграде осенью 1976 г. советские и французские специалисты договорились о проведении экспериментов под общим названием «ЭЛЬМА» («Экспериментальное МАтериаловедение») на советских печах «Кристалл» и «Сплав», установленных на орбитальной станции «Салют-6». Подготовку материалов взяли на себя четыре французские лаборатории в Бордо, Медоне и Гренобле. Электропечь «Кристалл» способна обеспечить температуру до 1100 °C. В ней можно получить полупроводниковые материалы в результате действия четырех процессов: направленной кристаллизации, сублимации, газотранспортного переноса, в ходе движения растворителя. В этой печи, установленной внутри орбитальной станции, тепловой режим поддерживается автоматически — с помощью специального электронного блока. При этом работа оператора состоит только в загрузке и разгрузке контейнера с образцом материала.
Рис. 8. Температура в точке установки инфракрасного датчика на спутнике «МАС-2»
В электропечи «Сплав» технологический процесс осуществляется в условиях глубокого вакуума (10–7 — 10–8 мм рт. ст.), то есть вне орбитальной станции. Максимальная температура, получаемая в этой печи, достигает 990 °C.
Наличие двух печей и возможность проведения в них одного и того же эксперимента позволяют выяснить наиболее рациональные условия исследуемого технологического процесса. Всего в обеих печах было осуществлено 10 экспериментов по советско-французской программе «ЭЛЬМА»: 8 в печи «Кристалл» и 2 в печи «Сплав». Каждый из них носил название ФК или ФС (первая буква означает «французский», а вторая связана с названием печи).
Первые два эксперимента (ФК-1 и ФС-1) посвящены протекающей в условиях невесомости кристаллизации алюминия (с добавкой меди) и олова (с добавкой свинца). Материалы такого типа давно известны металлургам, но получение их однородных структур — задача чрезвычайно сложная. Часто при этом вместо однородных кристаллов возникают ячеистые или дендритные структуры. Как полагают, они вызваны воздействием конвекции, приводящей к перераспределению компонентов перед фронтом кристаллизации. Проведение эксперимента в условиях невесомости, приводящей к практическому отсутствию тепловой конвекции, позволяет выяснить, насколько справедливо это предположение.
Цель следующей группы экспериментов (ФК-2 и ФК-3) — получение новых магнитных материалов. Совсем недавно считалось, что наилучшими магнитными свойствами обладают никель и кобальт. Но в настоящее время в связи с использованием редкоземельных элементов появляется возможность получить качественно новые магнитные материалы. Создание материалов с повышенными магнитными характеристиками позволило бы заменить электромагниты в электродвигателях на постоянные магниты, что дало бы значительную экономию в потреблении электроэнергии. Постоянные магниты могут найти применение и в других областях техники.
Используемый в этих экспериментах магнитный материал неодим—кобальт (ФК-2) в принципе можно получить в условиях наземных лабораторий, но при этом его структура будет очень неоднородной. Другой материал, марганец—церий (ФК-3) в земных условиях получить не удается: материал разлагается на составляющие до процесса кристаллизации.
Следующая группа экспериментов — ФК-4, ФС-2 (получение кристаллов германия) и ФК-5 (получение кристаллов окиси ванадия) — посвящена изучению чрезвычайно важного процесса кристаллизации: из газообразного состояния. Если газ какого-либо вещества медленно охладить ниже точки плавления и затем в среду ввести кристалл того же вещества («затравку»), то за счет осаждающихся на кристалле частиц он будет расти. Существует и другой способ кристаллизации из газообразного состояния — путем ввода в газовую среду холодного тела (другого состава). Тогда на этом теле будет кристаллизоваться вещество из газовой фазы в точности так же, как иней на почве и на крышах домов в холодные осенние ночи.