Титановая сфера — тонкая и легкая — покрыта тонкими лентами композитного материала. На первый взгляд, как, впрочем, и на второй, ничего необычного — очевидно, что это часть какой-то емкости. Директор Специального конструкторско-технологического бюро «Наука» Красноярского научного центра СО РАН доктор технических наук Владимир Викторович Москвичёв поясняет: «Это специальный топливный бак для космических аппаратов, мы проводим его комплексную экспертизу и натурные испытания, чего в России ранее не делали».
Спутник спутника
В проектировании космических аппаратов (причем, не только тех, которые относятся к тяжелому классу, но и легких) прослеживаются две тенденции. Первая заключается в стремлении увеличить срок активного существования спутников на орбите: когда-то они летали три года, потом — пять, затем — семь, теперь уже идет приближение к 11, а проектируются такие, которые смогут нормально работать 15 лет. Вторая тенденция заключается в прибавлении полезной нагрузки. Это требует повышения мощности ракет-носителей или использования специальных разгонных блоков (они доводят тяжелые объекты до заданной орбиты). Если создавать космический аппарат с достаточным запасом топлива, то можно отказаться от таких блоков – после отделения от ракеты он на собственных двигателях «дойдет» до нужной точки. При этом можно увеличить массу его полезной нагрузки.
«На спутниках имеются специальные электрореактивные двигатели, использующие в качестве рабочего тела тяжелый газ — ксенон, — рассказывает заместитель директора специального конструкторско-технологического бюро доктор технических наук Анатолий Михайлович Лепихин. — Этот газ истекает с высокой скоростью и за счет реактивной силы придает движение объекту. При схеме довыведения аппарата за счет электрореактивной тяги ракета доставляет аппарат к промежуточной точке, а оттуда он собственными силами идет дальше, на окончательную орбиту. В этом случае ему нужен достаточно большой и легкий бак для хранения ксенона».
Спроектированный в АО «Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф. Решетнева» ксеноновый бак воплотил самые передовые научные идеи и конструктивные решения. По словам ученого, он похож на футбольный мяч — внутри титановая «камера», которая обеспечивает непроницаемость для газа. Сверху — многослойная композитная оболочка, как прочная «покрышка».
Испытание на…
Ученый рассказывает, что когда ИСС в кооперации с рядом предприятий создали такую двигательную систему для тяжелых космических аппаратов, включающую новый ксеноновый бак, то перед ними встала сложная задача: как проверить его прочность, надежность и безопасность? «Они, по сути, оказались в трудной ситуации: есть перспективный объект, но подтвердить характеристики нечем и некому, — говорит Анатолий Лепихин. — Мы включились в решение этой сложной научно-инженерной проблемы. Мы им сказали — а давайте его к нам!» Обладая большим опытом в области исследования прочности, надежности и безопасности техники и квалифицированными специалистами, мы в короткий срок подготовили специальный стенд и необходимое оборудование для испытаний.
После первого и вполне успешного тестирования нашему СКТБ «Наука» доверили всю программу комплексной экспертизы прочности, надежности и безопасности ксеноновых баков. «Наличие специальных приборов и хороших экспертов позволило создать информативную систему инструментального мониторинга баков при испытаниях. Чтобы удостовериться в нужных показателях, требуется проводить запись параметров до самого конца процедуры испытаний, и мы это делаем, вплоть до взрывного разрушения бака», — объясняет Анатолий Михайлович.
Комплексная экспертиза включает также анализ технологической и конструкторской документации, математическое моделирование и экспериментальные оценки. «В процессе испытаний мы используем ряд современных методов контроля, включая акустико-эмиссионный, он смотрит за процессами деформирования бака и обнаруживает накопление повреждений в структуре материала — исходя из этого, мы потом можем прогнозировать прочность, — комментирует доктор наук. — К тому же, нам необходимо было контролировать и качество изготовления, ведь в космос обязан уйти бак, не имеющий никаких отклонений или дефектов. Эта задача также успешно была решена».
Прочен, надежен, безотказен — именно таким должен быть спроектированный ксеноновый бак. Ведь если он разрушится в процессе технологических испытаний, то пострадают люди и оборудование. Если при закачивании ксенона (под высоким давлением) перед стартом ракеты, то «несладко» придется и спутнику, и ракете-носителю, и — главное! —персоналу, работающему на подготовке к запуску. Ну, а если на орбите, то не будет выполнена заданная космическая программа. Во всех случаях ущерб может быть очень большим.
Итоги и перспективы
«На сегодня мы провели экспертизу семи баков, сейчас у нас еще один установлен на длительные испытания на специальном стенде — они будут продолжаться в течение трех лет, — говорит Анатолий Лепихин. —Объект все это время должен находиться под рабочим давлением и под непрерывным контролем: в определенной степени это имитация того, что происходит с ним в составе спутника в космосе. Мы пытаемся оценить и спрогнозировать, как изменяются свойства бака при его долгом использовании».
Результаты комплексной экспертизы, сделанной специалистами СКТБ «Наука», позволили улучшить конструкцию бака: уже изменены отдельные элементы, а также композитная оболочка. «В процессе мы находим слабое место, дорабатываем, после чего создается новый вариант, приходит к нам на испытания, мы обнаруживаем еще что-то, и вновь совершенствуем … В итоге, на сегодня есть вариант конструкции бака, который вполне удовлетворяет заданным требованиям. Он имеет трехкратный запас прочности, этого заказчику достаточно», — поясняет Анатолий Лепихин.
В конце марта спутник с таким баком был выведен на свою постоянную орбиту: на нужную позицию аппарат летел около 4 месяцев, а сейчас уже включился в трудовые будни.
«Из проведенных испытаний в итоге вышла работа, которая открыла некоторое новое направление и для конструкторов баков, и для тех, кто занят новыми материалами, и для ученых», — говорит Анатолий Лепихин. По его словам, при создании и экспертизе нужных объектов учитывали опыт NASA — они потратили около 12 лет на выстраивание всей цепочки производства композитных ксеноновых баков. Сибирские специалисты справились за полтора года, причем, как подчеркивает доктор наук, создали не копию, а оригинальный вариант, отличный по всем параметрам.
«Исходя из позитивного опыта, сейчас строится целая номенклатурная линейка баков различной емкости под разные спутники, — отмечает ученый. — Направление расширяется, наработки намерено использовать Министерство обороны РФ. Открываются перспективы и по отношению к дальнему космосу. Для его освоения проектируются ядерный реактор с охлаждением ксеноном, , и ему тоже нужен легкий, прочный и надежный бак».
Екатерина Пустолякова
Фото: предоставлены А. Лепихиным
