"Такого не делает никто в мире". Репортаж из института, где тестировали теплозащиту "Бурана"

Источник материала:

Практически в самом центре белорусской столицы расположено неприметное серое здание — Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Национальной академии наук. В начале 50-х учреждение создавалось как крупный центр для решения стратегически важных задач Советского Союза в военной и космической сферах. Именно в его стенах испытывали материалы, использовавшиеся при создании советского аналога американских «шаттлов» — челнока «Буран». После распада СССР институт стал одним из «флагманских» учреждений НАН, а большая часть исследований ИТМО напрямую или косвенно связаны с космосом. Вместе с Приорбанком мы продолжаем проект «Белорусский космос», в котором рассказываем о наших соотечественниках, делающих свой вклад в освоение внеземного пространства.

От скафандров до плазменных двигателей

— Институт создавался для решения трех основных задач, — рассказывает директор ИТМО, доктор физико-математических наук, академик НАН Беларуси Олег Пенязьков. — Это работа в области атомной энергетики, освоение космического пространства и создание ракетной техники. Все они неразрывно связаны с космосом, потому что те же ракеты используются в том числе и для вывода аппаратов на орбиту. Он был задействован даже в создании первых скафандров — здесь были установлены вакуумные камеры, которые позволяли симулировать условия выхода в открытый космос и испытывать такие изделия.

После развала СССР институт столкнулся с серьезными трудностями. Однако сотрудничество со многими странами мира (прежде всего, с Россией) позволило ему не только остаться на плаву, но и зарабатывать достаточно серьезные деньги.

— Практически все, что мы сейчас делаем, потенциально связано с исследованиями внеземного пространства, — утверждает директор ИТМО. — Из напрямую связанных с космосом работ можно назвать испытания теплозащиты спускаемых аппаратов к планетам Солнечной системы — они очень актуальны в связи с планами по освоению Марса. За последние несколько лет мы построили новые стенды, благодаря которым можем испытывать экраны для защиты космических аппаратов от столкновения с микрометеоритами. Проводим большое количество исследований по созданию плазменных микродвигателей, которые могут использоваться для коррекции курса космических аппаратов.

Наследство советской эпохи используется в институте до сих пор: на экспериментальных стендах, созданных во времена Советского Союза, до сих пор испытываются материалы и элементы конструкций аппаратов для «Роскосмоса» и Европейского космического агентства. Многие из этих установок и сейчас не имеют аналогов в мире.

— По некоторым отраслям мы без преувеличения диктуем повестку дня — например, в физике плазменных ускорителей. Почему космические исследования важны для такой страны, как Беларусь? Любому государству жизненно необходимо сохранять и развивать компетенции в самых передовых направлениях науки, а космос — именно такое. 

«Мы в мировой тройке лучших по качеству»

Направляемся в первый пункт нашей экскурсии по институту — на производство оптики из карбида кремния.

— В космосе находится огромное количество аппаратов, фотографирующих поверхность Земли или объекты космического пространства, — объясняет Олег Пенязьков. — Естественно, на них установлены специальные телескопы. Оптика из карбида кремния позволяет делать снимки в высоком разрешении, при этом весит крайне мало — это уменьшает стоимость вывода аппарата на орбиту.

Карбид кремния примерно в десять раз легче обычного стекла, из которого делают оптику для спутников. Кроме того, материал мало подвержен температурному расширению, что очень важно для аппаратов, постоянно то попадающих на теневую сторону Земли, то оказывающихся под прямым воздействием Солнца.

— Развитые страны уже давно используют карбид кремния в оптике, — отмечает директор ИТМО. — На постсоветском пространстве эта работа только начинается. Мы планируем полностью завершить линию по производству к концу этого года, но уже сейчас получаем зеркала, превосходящие по качеству китайские аналоги и ничем не уступающие западным. А западных компаний, которые их делают, всего несколько. Скажу так: мы в тройке лучших в мире по качеству таких изделий.

— Подобные элементы делают еще из бериллия, — дополняет заведующий отделением теплофизики Павел Гринчук. — Готовые изделия обладают еще более высокими характеристиками, но позволить себе их может только США: помимо того, что материал очень дорог, он еще и очень ядовит в процессе обработки. Для общего понимания — бюджет на телескоп имени Джеймса Уэбба, на котором будет применена эта технология, составляет около восьми миллиардов долларов. Сколько из них составляет стоимость зеркала, сказать трудно, но это в любом случае огромные деньги. А оптические изделия диаметром шесть метров, сделанные по нашей технологии, стоят на рынке от миллиона до полутора миллионов долларов. Недавно аппарат New Horizons поставил рекорд, сделав снимки космоса с самого далекого от Земли расстояния — так вот, эти фотографии создавались с помощью именно такой оптики.

«Таких устройств в мире всего несколько»

Следующее помещение пусть и выглядит чуть менее презентабельно, но его роль в освоении космоса переоценить трудно. Через этот экспериментальный зал прошли материалы, которые позднее были использованы при создании целого ряда космических аппаратов самых разных стран. К примеру, обшивка спускаемого аппарата Европейского космического агентства «Скиапарелли», который в 2016 году потерпел крушение при попытке сесть на Марс, тестировалась именно здесь. Теплозащита советского челнока «Буран» также испытывалась в ИТМО.

— Это холловский ускоритель плазмы, — объясняет Олег Пенязьков, указывая на значительных размеров установку, размещенную в большом экспериментальном зале. — Таких устройств в мире всего несколько. Здесь мы испытываем теплозащитные материалы для «Роскосмоса» и ЕКА. Поток ионизованного газа здесь разгоняется до скорости 20 километров в секунду, причем система может работать при пониженном давлении, симулируя условия различных планет. Когда спускаемый аппарат входит в атмосферу, он нагревается до огромных температур. Именно это и модулирует холловский ускоритель. Он может работать непрерывно на протяжении 5−6 минут, что позволяет воспроизвести практически любые условия. Материал при этом нагревается вплоть до шести тысяч градусов.

Сотрудники демонстрируют небольшие элементы, прошедшие проверку плазмотроном — поверхность материалов, устойчивых к воздействию тепла, испещрена глубокими отметинами. Часть из них выполнена в форме конуса — это миниатюрные сопла для корректирующих двигателей, которые здесь тоже испытывают.

«Пушка» для экранов и миллион кадров в секунду

Большую опасность для спутников, находящихся на околоземной орбите представляют микрометеориты — небольшие тела, проносящиеся в космосе на скорости от 3 до 5 километров в секунду. Для защиты от них используются специальные экраны. Однако как их испытать, если с такой мощностью не выстрелит ни одно оружие на Земле? Специально для этих целей в ИТМО создана «пушка», метающая частицы диаметром до 5 миллиметров со скоростью, близкой к первой космической (до 7 километров в секунду).

— Конечно, защита рассчитывается исходя из характеристик космического аппарата, — поясняет старший научный сотрудник лаборатории физико-химической гидродинамики Владимир Васецкий. — При их создании определяется, какие элементы требуют наибольшей защиты. К примеру, в пилотируемых кораблях или на космических станциях, где находятся люди, вся обшивка защищена по максимуму. В обычных же спутниках экранами защищают только «жизненно важные органы», потеря работоспособности которых приведет к гибели аппарата. Учитывается и продолжительность нахождения в космосе — естественно, что вероятность попадания метеорита по кораблю, который будет на орбите всего пару недель, настолько низка, что позволяет защищать его минимально. Как правило, стандартная экранная защита корабля — это несколько пластин дюралюминия толщиной порядка двух миллиметров каждая.

Основная задача экрана — не задержать летящую со сверхузвуковой скоростью частицу (сделать это без значительного увеличения веса очень сложно), а раздробить ее до такого состояния, чтобы она не смогла пробить корпус корабля.

Сама установка не выглядит устрашающе — это вакуумная камера длиной в несколько метров, в стенках которой проделаны иллюминаторы для наблюдения за процессом. Испытания проходят следующим образом: внутри вакуумной камеры на некотором расстоянии от ускорителя частиц устанавливается мишень (обычно пластина из испытываемого материала), а чуть дальше — так называемый «свидетель»: поверхность, которая фиксирует глубину вхождения пробивших преграду осколков. «Выстрелы» записывают на высокоскоростную камеру, которая делает один кадр в миллионную долю секунды.

— Есть несколько ГОСТов, по которым изготваливают частицы для испытаний, — говорит Владимир Васецкий. — Обычно мы используем стальные шарики разного диаметра. Сейчас, к примеру, делаем заказ для партнера, они выбрали диаметр 2,5 миллиметра. Всего в день мы можем сделать не больше пяти «выстрелов», так как система достаточна сложна. В ней используются плазма и водород под высоким давлением, что позволяет разгонять частицы до огромных скоростей на такой установке сравнительно небольшой длины. 

«Не только деньги делают счастливым»

Также в ИТМО разработали устройства, которые воздействуют на материалы высокоскоростными высокоэнергетическими плазменными потоками. На практике это значит, что после такой обработки, скажем, сталь становится тверже в пять-шесть раз и превосходит по характеристикам самые дорогие аналоги. При этом изменяется не вся заготовка, а только тонкий верхний слой — на нем как бы образуется «корочка» толщиной до 100 микрон из изменившего свои характеристики сплава. Модифицируются таким способом даже материалы, которые раньше считались не поддающимися улучшению с помощью температуры, например, титан.

— Еще одно применение плазменных ускорителей  — это разработка на их основе двигателей для маневрирования космических аппаратов, — рассказывает заместитель директора ИТМО, заведующий отделением физики плазмы и плазменных технологий Валентин Асташинский. — Обычно это делается с помощью небольших двигателей. Всего их нужно три: по одному для ускорения в каждой плоскости. А учитывая, что такие системы всегда дублируются, а то и утраиваются, то их обычно устанавливается от шести до девяти. Наше решение сложнее в плане физики, но гораздо проще технически, а, значит, надежнее. Мы предлагаем использовать для маневрирования плазменные двигатели с управляемым вектором тяги. То есть, управлять аппаратом не с помощью направленных в разные стороны сопел, а самой струей плазмы. За счет собственных токов поток может изгибаться на угол до 30 градусов и поворачивать аппарат в нужную сторону. Таким образом, мы сократим количество двигателей до двух или трех. Работающие прототипы у нас уже есть. В потенциале такие двигатели могут использоваться не только для маневрирования, но и для межпланетных полетов — для этого нужно увеличить габариты и мощность плазменных устройств.

В конце беседы интересуемся и финансовым аспектом работы — можно ли сегодня, занимаясь наукой, не беспокоиться о заврашнем дне? Валентин Асташинский утверждает, что сотрудники ИТМО получают достойные зарплаты, но дело не только в них:

— К счастью, не только деньги определяют развитие науки и делают человека счастливым, — говорит собеседник. — Кто-то получает тысячи долларов, но работа для него — как каторга. Человек целый день сидит и ждет конца рабочего дня, чтобы поскорее сбежать. Как показывает пример ИТМО, решая серьезные научные задачи можно не только зарабатывать неплохие деньги, но и получать при этом ни с чем не сравнимое наслаждение от осознания того, что в целом мире никто, кроме тебя, этого сделать не может.

Партнер проекта: