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

Под охраной невидимых меток Под охраной невидимых меток

Как инновационный наномаркер поможет снизить количество подделок

Санкт-Петербургский университет
Все фильмы Дэвида Линча по порядку от хорошего к лучшему Все фильмы Дэвида Линча по порядку от хорошего к лучшему

Напоминаем кинофильмы Дэвида Линча, а еще то, что их нельзя смотреть по ТВ

Maxim
Чем занимались биологи в 2024 году Чем занимались биологи в 2024 году

Открытия биологов: атласы клеток человека, мушиные синапсы и ДНК мигрантов

Наука и жизнь
«Осторожно, в небе металлолом» — Что делают со старыми авиалайнерами «Осторожно, в небе металлолом» — Что делают со старыми авиалайнерами

Почему пассажирские авиалайнеры так рано списывают?

ТехИнсайдер
Книги Книги

Лучшие современные иностранные романы: выбор Яны Вагнер

Правила жизни
7 фильмов про близнецов, которые стоит увидеть хотя бы единожды 7 фильмов про близнецов, которые стоит увидеть хотя бы единожды

Фильмы, которые показывают невероятную химию между близнецами

Maxim
10 черт, в которые влюбляются мужчины 10 черт, в которые влюбляются мужчины

Как происходит влюбленность у мужчин?

Psychologies
5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией 5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией

Замаскированная жесткость, которая причиняет мужчинам боль

Psychologies
Повсеместное использование камер наблюдения меняет работу мозга Повсеместное использование камер наблюдения меняет работу мозга

Видеонаблюдение влияет на работу мозга, причем на бессознательном уровне

ТехИнсайдер
18 известных актеров, о чьей смерти в 2024 году вы не подозревали 18 известных актеров, о чьей смерти в 2024 году вы не подозревали

Эти всем известные и даже знаменитые актеры умерли в 2024 году

Maxim
Двухминутная процедура по уходу за ногтями, которую надо делать каждый день: советы дерматолога Двухминутная процедура по уходу за ногтями, которую надо делать каждый день: советы дерматолога

Регулярный уход за ногтями — ключ к их быстрому росту и красоте. Как это делать?

VOICE
Психологический портрет: что такое панические атаки Психологический портрет: что такое панические атаки

Что испытывает человек при приступах паники?

Forbes
Как Наталья Кремнева потеряла слух и зрение и создала журнал для слепоглухих людей Как Наталья Кремнева потеряла слух и зрение и создала журнал для слепоглухих людей

Как Наталья Кремнева, несмотря на инвалидность, запустила свое медиа

Forbes
Стройная и гибкая Стройная и гибкая

Ты заметишь результат уже через 3 недели регулярных тренировок

Лиза
Татьяна Ходот Татьяна Ходот

Преподавательница геометрии Татьяна Ходот всю блокаду провела в Ленинграде

Собака.ru
Как улучшить настроение за 5 минут: простые, но отлично работающие способы Как улучшить настроение за 5 минут: простые, но отлично работающие способы

Несколько приемов, которые помогут быстро встряхнуться и улучшить настроение

VOICE
7 принципов женщин, живущих в счастливых отношениях 7 принципов женщин, живущих в счастливых отношениях

Главные принципы, которых придерживаются успешные в личной жизни женщины

Psychologies
Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете

Две частные фирмы запустили аппараты на Луну в ракете SpaceX Falcon 9

ТехИнсайдер
«То, что на экране, — это психическая реальность тех, кто смотрит, а не тех, кого показывают» «То, что на экране, — это психическая реальность тех, кто смотрит, а не тех, кого показывают»

Режиссер Рената Джало о своем фильме «На этой земле»

Weekend
Ни слова о школе Ни слова о школе

Два человека рассказывают две истории одной жизни

Afternoon Seasons of life
«Сделано в России»: 5 иностранных фильмов, снятых в нашей стране «Сделано в России»: 5 иностранных фильмов, снятых в нашей стране

Иностранные триллеры, ужасы и мелодрамы, снятые в России

ТехИнсайдер
Микропластик проникает в мозг «автостопом» в иммунных клетках Микропластик проникает в мозг «автостопом» в иммунных клетках

Из-за чего микропластик застревает в кровеносных сосудах головного мозга

ТехИнсайдер
Что такие кислые Что такие кислые

В авангарде бьюти-индустрии сегодня кислоты

Лиза
Репортаж из томографа Репортаж из томографа

Как наш мозг принимает решения?

Ведомости
Разбитое сердце Брэда Питта Разбитое сердце Брэда Питта

Каково будущее у Брэда Питта, который в 61 год должен строить жизнь заново?

Караван историй
Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов

Детский снегоход: чем он отличается от обычного и как выбрать правильную модель

ТехИнсайдер
Как взлетает мирный атом Как взлетает мирный атом

О новых возможностях мирного атома и критических технологиях безопасности

Монокль
Человек человеку… волк: разбираемся в эволюции оборотней в кино Человек человеку… волк: разбираемся в эволюции оборотней в кино

Откуда появились истории о вервольфах в кинематографе?

Правила жизни
Как искусственный интеллект меняет бьюти-индустрию Как искусственный интеллект меняет бьюти-индустрию

Как технологии ИИ ежедневно помогают бьюти-мастерам в работе?

Inc.
«Оправдываться не следует» «Оправдываться не следует»

Андропов был зол на тупоголовых генералов, совсем не думающих о большой политике

Дилетант
Открыть в приложении