Механики СПбГУ на первой космической стройке

Санкт-Петербургский университетНаука

Без единого шурупа

В начале 1990-х годов механики СПбГУ помогли осуществить первый в мире эксперимент по строительству крупногабаритных объектов в условиях открытого космоса.

Автор: Евгения Орлова

Космонавт Юрий Онуфриенко стоит на ферме «Софора» российской станции «Мир» во время миссии ЭО-21, держась за соседнюю ферму «Рапана». 1996 год

Над проектом под названием «Софора» ученые Университета трудились по заданию одного из ведущих предприятий космической промышленности СССР — научно-производственного объединения «Энергия» (ныне Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва).

Исследователям требовалось придумать, как прямо на орбите возводить масштабные конструкции, которые из-за больших размеров невозможно доставить в космическое пространство в собранном виде. По словам одного из участников эксперимента Александра Евгеньевича Волкова, профессора СПбГУ (кафедра теории упругости имени Н. Ф. Морозова), традиционные наземные методы строительства для такой работы не подходили.

«Например, соединять детали с помощью болтов и гаек на Земле проще простого. Но если то же самое будет делать космонавт, его все время будет поворачивать в противоположную от движения гаечного ключа сторону. Это создаст неудобства: человек не сможет надежно закрепиться, ему все время придется прикладывать силу для противодействия вращению, — приводит пример ученый. — Применять заклепки тоже нельзя: их установка даже в наземных условиях требует физических усилий, в космосе это еще более тяжелый труд. Работа с клеем невозможна из-за вакуума, а сварка опасна — космонавт может повредить скафандр, что поставит его жизнь под угрозу».

В ходе проекта «Софора» механики СПбГУ придумали, как решить эту проблему. В результате в июле 1991 года на орбитальной станции «Мир» была успешно собрана особая конструкция из соединенных между собой металлических стержней — ферма. Общий вес постройки составил 90 килограммов, а высота — 14,5 метров, как у пятиэтажных домов.

Особый металл

Успех эксперименту обеспечило использование инновационных для того времени материалов — сплавов с памятью формы. «Это класс металлов, которые способны восстанавливать свою исходную форму при нагреве, — объясняет Александр Волков. — Такие сплавы могут находиться в двух разных состояниях: низкотемпературном и высокотемпературном. И если, например, при низкой температуре материал с памятью формы деформировать (скажем, растянуть или изогнуть), он сохранит новую форму. Но если потом сплав нагреть, то он „вспомнит“ свою изначальную форму и вернется к ней».

Исследователи пришли к выводу, что из материалов с подобными свойствами удастся изготовить надежные и легкие в обращении муфты — детали для соединения труб, из которых должна была состоять ферма. Выбор ученых пал на наиболее изученный сплав никеля с титаном (никелид титана, или нитинол).

Еще в 1990-е годы стало известно, что он обладает многими полезными характеристиками, например повышенной коррозионной стойкостью и прочностью. Его также отличает способность эффективно гасить различные колебания. Это очень важно для конструкций в космосе, так как их целостность может нарушиться, если не уменьшить вибрации, возникающие при запусках двигателей космического аппарата. Еще одно преимущество никелида титана — высокая способность к восстановлению формы. Сплав может выдержать деформацию до 8 % и вернуться в исходное состояние, тогда как материалы без памяти формы в среднем перестают принимать первоначальный вид уже после деформирования на 0,1–0,3 %. К тому же работа с никелидом титана не требует экстремальных температур. Изменять форму деталей из сплава можно при комнатной температуре, а изначальное состояние материал «вспоминает» при нагреве от 90 °C.

Вид на вспомогательную двигательную установку «Софора» и стрелу, прикрепленную к российской космической станции «Мир». Wikimedia Commons

Подготовить к отлету

Для «Софоры» механикам СПбГУ требовалось сделать из никелида титана 400 муфт: 80 штук для космической фермы и столько же для каждого из четырех образцов, которые использовали в предварительных испытаниях на Земле. Подобрав оптимальные параметры для деталей, исследователи приступили к их созданию.

Не активированная теплом соединительная муфта из никелида титана на испытательном образце фермы «Софора». Фото Евгения Орлова

«Работы над муфтами, как и над остальными составляющими фермы и ее дубликатов, велись в Петергофе на территории экспериментально-опытного завода СПбГУ (позже завод был упразднен. — Прим. ред.), — рассказывает Александр Волков. — Вначале были изготовлены, термообработаны и отшлифованы основные части „Софоры“ — трубы из алюминиево-магниевого сплава. Затем мы брали сплошные цилиндры из никелида титана с меньшим диаметром, чем у труб, и электродами вырезали из них середину. В итоге получались полые термомеханические цилиндры — муфты. Их мы растягивали до такой степени, чтобы они свободно надевались на трубы».

Часть образца фермы «Софора», использовавшегося в испытаниях на Земле. Хранится в Петродворцовом научно-учебном комплексе СПбГУ. Фото Евгения Орлова

В таком виде муфты вместе с другими составляющими фермы отправляли на станцию «Мир». Транспортировка была быстрой и простой, поскольку многочисленные элементы будущей конструкции уместились в несколько небольших футляров. Оставалось только собрать их на орбите, как конструктор.

Четыре важных дня

Возведением «Софоры» занимались космонавты Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский. Полный цикл работ им удалось завершить за четыре выхода в открытый космос. Первый состоялся 15 июля 1991 года. В ходе него космонавты установили на пристыкованный к «Миру» модуль «Квант» монтажную платформу и нагревательные лампы.

Во время второго выхода, 19 июля, была начата сборка первых трех секций фермы. Процесс строился следующим образом. На платформу устанавливали короткую секцию «Софоры», выполненную из металлических труб. На все ее углы надевали расширенные муфты из никелида титана. Сверху в них вставляли следующую секцию. Затем лампами нагревали места соединений, чтобы муфты «вспомнили» свою изначальную форму и уменьшились в диаметре, тем самым плотно соединив и зафиксировав трубы первого и второго уровня. Подобным образом космонавтам в сумме предстояло возвести 20 секций.

Вид космической станции «Мир» перед встречей и стыковкой с шаттлом «Атлантис». 1995 год. Wikimedia Commons

«Во время сборки Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский, как и положено, постоянно находились на связи с Центром управления полетами на Земле и описывали каждое свое действие, — вспоминает Александр Волков. — Вначале все шло хорошо: детали достали из футляров, развернули. Но когда начали собирать секции, оказалось, что трубы не входят в муфты. Космонавты без паники доложили об этом на Землю. Находящиеся на прямой линии механики быстро подсказали решение проблемы — требовалось немного подождать, чтобы детали остыли после нахождения на теплой станции. Выполнив рекомендации, Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский смогли продолжить эксперимент, так как трубы уменьшились до необходимого размера».

Дальнейшая сборка фермы проходила в штатном режиме. 23 июля космонавты возвели 11 следующих секций, в частности шарнирное звено — участок, благодаря которому верхнюю половину «Софоры» можно было наклонять, в том числе под прямым углом. Последний выход в космос в рамках эксперимента состоялся 27 июля. В тот день Сергей Крикалёв и Анатолий Арцебарский собрали шесть последних «этажей» и в честь успешного завершения установили на вершине фермы флаг СССР.

Проект с продолжением

Эксперимент «Софора» не только позволил советским космонавтам первыми в мире опробовать методы строительства больших объектов в космосе, но и подтвердил перспективность использования сплавов с памятью формы в качестве замков для соединения деталей космического оборудования.

Возведенную ферму впоследствии использовали для решения многих прикладных задач. В частности, с ее помощью космонавты могли более оперативно перемещаться к разным модулям орбитальной станции. Также на «Софоре» размещали аппаратуру для проведения исследований: например, для измерения собственной внешней атмосферы вокруг «Мира». «В 1992 году на вершине фермы разместили выносную двигательную установку, с помощью которой можно было поворачивать станцию. Благодаря этому время работы „Мира“ удалось продлить почти на 10 лет — до спуска с орбиты и затопления в 2001 году. Это стало, пожалуй, самой важной задачей, для которой послужила „Софора“», — подчеркивает Александр Волков.

Интересно

«Когда я поднялся по „Софоре“ на самый верх, то впервые в космосе почувствовал, что боюсь высоты. Меня совсем не пугало, что до Земли 400 километров. А вот смотреть на станцию [„Мир“] с 15 метров было страшно». Воспоминания летчика-космонавта Анатолия Павловича Арцебарского о работе на ферме «Софора»

Источник: Роскосмос

Кстати

Сплавы с памятью формы сегодня активно используют в медицине. Из них изготавливают внутрисосудистые стенты, реабилитационные перчатки, стержни для фиксации позвоночника при сколиозе, штифты, зажимы, ортопедические имплантаты, оправы для очков, ортодонтические дуги и пластины для исправления воронкообразной деформации грудной клетки.

Факт

Элемент
фермы «Рапана»

Механики Университета также участвовали в таких космических экспериментах с использованием сплавов с памятью формы, как:

«Краб» (1989 год). На грузовом корабле «Прогресс-40», который отстыковывался от орбитальной станции «Мир», впервые в мире раскрыли крупногабаритные кольцевые антенны диаметром 20 метров каждая. Развертывание конструкций происходило благодаря приводам из сплава с памятью формы.

«Рапана» (1992 год). На модуле «Квант» орбитальной станции «Мир» автоматически разворачивали пятиметровую ферму. Раскрытие осуществляли за счет приводов из никелида титана. Впоследствии на ферме размещали биологические, химические и другие образцы для изучения того, как на них воздействует космическая среда.

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Границы адаптации Границы адаптации

Как повысить работоспособность космонавтов

Санкт-Петербургский университет
Ныряющий «воробей» Ныряющий «воробей»

Почему необычную птаху, проводящую часть жизни под водой, назвали оляпкой?

Наука и жизнь
Как мало мы о них знаем Как мало мы о них знаем

Поганки с зубами, новые лианы и столетний инкубатор

Знание – сила
Как в СССР создавали самолет для Сталина – дедушку «Борта №1» Как в СССР создавали самолет для Сталина – дедушку «Борта №1»

Как безопасно доставить через пол-континента вождя народов, боящегося летать

ТехИнсайдер
Счастье незавершенного гештальта Счастье незавершенного гештальта

Что помогает осознать предназначение и как оно создает нас?

Psychologies
Как жировые отложения могут быть ключом к более долгой и здоровой жизни Как жировые отложения могут быть ключом к более долгой и здоровой жизни

Что, если ключ к вашему здоровому образу жизни скрывается у всех на виду?

ТехИнсайдер
На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле

Что вы знаете о золоте?

ТехИнсайдер
Страна пяти сфер Страна пяти сфер

В Индии пять чувств используются не только по назначению, но и по максимуму

Вокруг света
Рим и германцы Рим и германцы

Встреча с варварами потрясла Рим, заставив изменить организацию римской армии

Дилетант
Татьяна Ходот Татьяна Ходот

Преподавательница геометрии Татьяна Ходот всю блокаду провела в Ленинграде

Собака.ru
Земную жизнь пройдя до половины, я очутился в сумрачном лесу Земную жизнь пройдя до половины, я очутился в сумрачном лесу

Жизнеутверждающий текст о торжественном вступлении во вторую половину жизни

Afternoon Seasons of life
Разрешить себе жить Разрешить себе жить

Почему середина жизни — время, когда можно все, особенно в любви

Afternoon Seasons of life
«Я человек чувства» «Я человек чувства»

Всё, за что берется Анна Тихомирова, она старается доводить до идеала

OK!
7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег 7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег

Что действительно нужно для получения результата и своевременного омоложения

VOICE
Как привить себе новые привычки: советы ученых Как привить себе новые привычки: советы ученых

Освоение нового режима может быть пугающим, но это проще, чем многим кажется

ТехИнсайдер
«Сидим с бобром за столом»: в чем смысл песни и почему она так завирусилась «Сидим с бобром за столом»: в чем смысл песни и почему она так завирусилась

Почему трек «Сидим с бобром за столом» стал вирусным: разбор психолога

Psychologies
6 источников неприятного запаха в посудомоечной машине и способы их устранения 6 источников неприятного запаха в посудомоечной машине и способы их устранения

Почему от посудомоечной машины плохо пахнет: причины и их устранение

ТехИнсайдер
Облачные хранилища бесплатно: где и сколько можно получить Облачные хранилища бесплатно: где и сколько можно получить

Самые популярные облачные хранилища: у каких условия самые лучшие?

CHIP
Дорогу возрастным: почему бизнес все чаще берет на работу сотрудников старше 50 лет Дорогу возрастным: почему бизнес все чаще берет на работу сотрудников старше 50 лет

В чем пожилые специалисты превосходят молодых?

Forbes
Дружба среднего возраста Дружба среднего возраста

Размышляем, где взять новых друзей человеку, перешагнувшему 45-летний рубеж

Afternoon Seasons of life
Диета «6 лепестков»: меню на каждый день, отзыв врача Диета «6 лепестков»: меню на каждый день, отзыв врача

Можно ли привести себя в форму всего за шесть дней?

РБК
«Сейчас очень много злобы и ненависти вокруг, а людям нужны простые человеческие чувства»: интервью с Евгением Писаревым «Сейчас очень много злобы и ненависти вокруг, а людям нужны простые человеческие чувства»: интервью с Евгением Писаревым

Режиссер Евгений Писарев — о своих спектаклях «Плохие хорошие» и «Тартюф»

СНОБ
5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников 5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников

Пять фактов о домашнем насилии, которые важно знать каждому

Psychologies
Дикая охота Дикая охота

Я провожу свою вечность с теми, кто никогда говорить не умел

СНОБ
«Вайб», brain rot и manifest: как слова 2024 года отражают наши страхи и надежды «Вайб», brain rot и manifest: как слова 2024 года отражают наши страхи и надежды

Как через слова люди реагируют на текущие вызовы и изменения?

Forbes
Догматический монетаризм или новое кеинсианство Догматический монетаризм или новое кеинсианство

Какую экономическую модель выбирает Россия

Деньги
«В русской литературе финалом по большей части является тоска» «В русской литературе финалом по большей части является тоска»

Любовь Аркус о том, что делает финалы великими

Weekend
Искусственный интеллект: история ошибок Искусственный интеллект: история ошибок

Как советская бюрократия тормозила развитие технологий обработки больших данных

Монокль
«Нет причин не продлить нашу жизнь до 200 лет и даже до 1000» «Нет причин не продлить нашу жизнь до 200 лет и даже до 1000»

Как мировая наука и бизнес борются со старением

РБК
Он мне изменяет? Он мне изменяет?

Неочевидные способы распознать обман партнера

Лиза
Открыть в приложении