Луноход под шубой: зачем космические аппараты заворачивают в «фольгу»
Если вы увидите советский «Луноход» в музее космонавтики, то походить он будет на ванну на колесах — покрытый эмалью металлический корпус характерной формы, с откидывающейся крышкой, телекамерами, антеннами и приборами. Однако в точке посадки его собрата вы бы не узнали: по Луне самоходный аппарат катался, закутанный в белые покрывала. Pro Kosmos разобрался, зачем космическому аппарату в безвоздушном пространстве нужна «одежда».
Экстремальные условия космоса
В космосе нет привычной атмосферы, которая на Земле смягчает перепады температур. Поэтому объект на орбите может испытывать то лютый холод, то сильный жар — все зависит от того, падает на него солнечный свет или нет. Тепло не передается потоком воздуха (в вакууме нет конвекции), а только излучением — причем лучше всего в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра.
Например, Международная космическая станция каждые полтора часа то входит в тень Земли, то выскакивает обратно на солнце: температура обшивки при этом колеблется примерно от –100 °C до +100 °C. Если предположить, что такая же температура будет и внутри отсеков, в данных условиях и люди, и электроника станут регулярно замерзать до звонкого льда и перегреваться до ожогов.
Инженерам приходится поддерживать внутри аппаратов стабильный «комфортный» диапазон температур. Это делает система обеспечения теплового режима: она равномерно распределяет тепловую нагрузку «по потребителям». Для того чтобы система нормально работала, она должна сбрасывать куда-то тепло, получающееся в результате функционирования приборов, агрегатов и живых организмов, и запирать тепло, приходящее извне.
И действительно, лучшим решением стало поставить на пути инфракрасных лучей специальный экран. Таким экраном служит многослойная экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ).
Что такое экранно-вакуумная теплоизоляция
Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) — это многослойное покрытие корпуса космического аппарата, которое работает только в вакууме. Отсюда и название. По сути, это «космическое одеяло», не позволяющее теплу ни проникать снаружи, ни утекать изнутри.
Оно состоит из десятков чередующихся слоев экранов-отражателей и прокладок. Каждый экран-слой изготовлен из синтетической пленки толщиной всего несколько микрон, с нанесенным металлическим напылением. Чаще всего используют алюминий — он хорошо отражает тепло, легкий и недорогой. Реже применяют медь, серебро или даже золото.
Толщина металла мизерная (около 0,1 мкм), но этого достаточно, чтобы слой стал зеркальным для инфракрасных лучей. Между экранами проложены тонкие прослойки из сетчатого или волокнистого материала, они не дают слоям соприкасаться и передавать тепло друг другу.
Многослойная изоляция действует как колба бытового термоса, между слоями которой вакуум, и работает очень эффективно. В лабораторных условиях теплопроводность 40-слойного экранно-вакуумного «одеяла» составляет всего ~0,03 мВт/(м·K), что несравнимо лучше любой обычной изоляции. При этом добавочная масса минимальна: 40 слоев весят около 1,2 кг на квадратный метр и имеют толщину порядка 20 мм.
Аналогичный принцип мы встречаем в фольгированных спасательных одеялах, которыми укрывают пострадавших: блестящая пленка отражает тепло обратно к человеку. Однако на Земле такие одеяла работают не так, как в космосе — ведь вокруг есть воздух, который уносит тепло, и влага. В космосе же нет ни ветра, ни дождя, зато есть вакуум, поэтому экранирующая изоляция проявляет себя в полную силу.
Однако сама по себе ЭВТИ очень непрочная. От механических повреждений при обращении на земле или при запуске снаружи ее защищает ткань, которая имеет характерные цвета — белый, как у «Луноходов», бежевый, как у выходных скафандров «Орлан», оранжевый, как у спутников «Ресурс-П», или черный, как у кораблей «Союз МС».
Покрытие, состоящее из ткани и ЭВТИ, способно отразить до 97% солнечных лучей, попадающих на аппарат. Оно не дает ему перегреваться на солнечной стороне и остывать в тени.
«Ватники» и краска: термоизоляция первых аппаратов в СССР
В начале космической эры проблему тепла решали проще: металлические поверхности обрабатывали соответствующим образом — покрывали специальной термостойкой краской нужного цвета или полировали до блеска, чтобы обеспечить такое соотношение поглощения и отражения солнечных лучей, чтобы аппарат не перегревался. Однако таким образом обеспечить необходимый режим очень сложно, и по мере усложнения космических миссий стало понятно, что этот способ недостаточно эффективен.
Советские инженеры одними из первых начали использовать многослойную изоляцию на аппаратах для изучения Луны и планет. Например, спускаемые аппараты станций «Луна-9» и «Луна-13», совершившие мягкую посадку в 1966 году, были закрыты толстыми тканевыми чехлами — в музее НПО Лавочкина можно увидеть их дубликаты, укутанные в «ватники». Они помогли станциям продержаться на лунной поверхности до разрядки аккумуляторных батарей.
Тот же принцип применили в легендарных луноходах. Советские самоходные аппараты «Луноход-1» (1970) и «Луноход-2» (1973) на деле выглядели не как голый металл, а как покрытые пышной периной машины. То же делалось и с «луночерпалками» типа «Луна-16»: их корпуса почти полностью покрывала белоснежная экранно-вакуумная теплоизоляция, которая не только сглаживала перепады температуры между нагретыми и затененными частями, но и визуально меняла внешний вид корпуса. Снаружи изоляция напоминала мягкое одеяло, плотно укутывающее всю конструкцию.
Большинство советских космических аппаратов стартовали именно в защитных чехлах — просто со временем на выставках их стали показывать «раздетыми» для наглядности конструкции. В результате у публики сложился неверный образ того, как они выглядели в реальности. То же касается и знаменитых кораблей «Союз».
«Союзы» всегда запускались в теплоизоляционной оболочке — в отличие от ранних американских капсул, которые летали голыми. Ранние серии «Союз» (60-е – 70-е годы) были одеты в зеленые чехлы. С конца 1970-х, со стартом серии «Союз Т», наружный слой ЭВТИ стал темно-коричневым, почти черным.
Как видно из фото подготовки на Байконуре, корабль не весь покрыт черной «шубой» — задняя часть приборно-агрегатного отсека белая (там располагаются радиаторы системы терморегулирования). Бытовой отсек заранее закрыт теплоизоляцией, а вот спускаемый аппарат закрывают уже на космодроме.
Кстати, оболочка спускаемого аппарата представляет собой несколько слоев ткани, пропитанной фенол-формальдегидной смолой и спеченной в «кокон». Испаряясь (аблируя), она забирает с собой огромную часть тепла и защищает корабль от перегрева при входе в плотные слои атмосферы при спуске.
Как устроена абляционная защита в космонавтике
Помимо «Союзов», экранно-вакуумной теплоизоляцией оснащались практически все советские спутники и межпланетные станции. Защитный чехол у разных разработчиков мог отличаться по цвету и материалу. Например, аппарат «Марс-96» был ярко-оранжевым — на иллюстрациях того времени станцию часто фотографировали (или рисовали) без чехла, из-за чего внешний вид (необычная комбинация шаров, цилиндров и других геометрически затейливых элементов) разительно отличался от того, что летело в космосе. Позже похожий оранжевый материал применили на спутниках серии «Ресурс-П».
Блоки орбитальной станции «Мир», а позже модули российского сегмента МКС, не закутывались в ЭВТИ целиком, но отдельные их участки закрыты характерными бурыми «одеялами», заметными на фото и видео.
В итоге в арсенале разных космических конструкторских бюро накопились свои варианты чехлов для ЭВТИ. Цвет внешней «одежды» мог быть белым, серебристым, золотистым, зеленым, оранжевым или темно-бурым — в зависимости от выбранных материалов и технологий. Каждая организация использовала то, что считала оптимальным. Тип внешней оболочки, совокупность слоев ЭВТИ, марка пленки и способ напыления — это часть ноу-хау предприятия. Но цель у всех одна: сохранить тепловой баланс внутри аппарата.
Золотая фольга и кевлар: теплоизоляция на Западе
На фотографиях западных космических аппаратов мы часто видим блестящие золотистые покрытия. Такой «декор» впервые появился в начале 1960-х, когда американские инженеры стали экспериментировать с многослойной теплоизоляцией. Первые их корабли Mercury и Gemini летали «без верхней одежды». Командно-служебный модуль «Аполлона» имел участки ЭВТИ, но они снаружи закрывались белыми эмалированными панелями и радиаторами-излучателями системы терморегулирования. А вот лунный модуль «Аполлона» был весь оклеен переливающейся золотой фольгой — это тоже тип ЭВТИ, просто без поверхностного тканевого чехла.
В последующие десятилетия золотистая фольга стала привычным обликом спутников и зондов. Многие автоматические аппараты NASA, ЕКА, Китая и других стран носят такую «золотую одежду», и сейчас это стало модным трендом.
Важно понимать, что знаменитая золотая фольга — это не листы из чистого золота. Обычно используют пленку из полиимидного пластика (коммерческое название каптон), которую с одной или двух сторон покрывают сверхтонким слоем металла. Каптон сам по себе янтарно-желтого цвета, поэтому в комбинации с алюминиевым отражающим напылением создается эффект золотистого покрытия. Иногда для оттенка применяют медь или действительно тончайшее напыление золота, но главную работу по отражению тепла обычно все-таки выполняет алюминий. Так или иначе, в некоторых случаях «космическое одеяло» из каптона выдерживает экстремальные температуры (от –260 до +480 °C) и надежно защищает аппарат.
На современных спутниках многослойная изоляция обычно заметна невооруженным глазом — ее уже не прячут под сплошной панелью, как делали в СССР. Но помимо тепла, в космосе есть и другие опасности. Поэтому на больших орбитальных модулях изоляция часто совмещает несколько функций. Например, МКС покрыта снаружи не просто фольгой, а целым «одеялом» из нескольких слоев высокотехнологичной ткани (в том числе кевлара — материала бронежилетов). Эта внешняя многослойная обшивка служит сразу двум целям: она предохраняет корпус станции от микрометеоритов и обломков космического мусора как бронежилет от пуль, а заодно работает в комплексе с системой терморегулирования. Пока тонкие алюминиевые стенки модулей принимают на себя минимальную нагрузку, основной удар космической среды — температуру, солнечное излучение и даже случайные болты и частицы — берет на себя наружный тканевый экран.
Любопытно, что теплоизоляцию специально делают немного мешковатой. Если присмотреться к фотографиям спутников, золотая фольга обернута вокруг деталей не натянуто, а с зазором, местами словно морщинится. Это не дефект и не небрежность: просто физически крупногабаритный космический аппарат сложной конфигурации трудно плотно обтянуть слоями ЭВТИ, поскольку это не пленка, а многослойное «одеяло».
В космической технике защита объектов от перегрева и переохлаждения — не роскошь, а жесткая необходимость. Без многослойных теплоизолирующих покрытий спутники, планетоходы и корабли не смогли бы долго работать под палящим солнцем или в ледяной тени. Поэтому инженеры по всему миру уже десятки лет «кутают» космические аппараты в специальные одеяла. И хотя выглядеть эти «костюмы» могут по-разному — от белого тканевого чехла до золотистой фольги — принцип везде один и тот же.
Если увидите возвращаемый аппарат на экспозиции без всякой оболочки, помните: в реальном полете он был укутан в защитную ЭВТИ. Во время возвращения на Землю эта многослойная одежда отработала свое и сгорела. Или же ее сняли позже. На Луне же до сих пор стоят советские луноходы, накрытые дутыми покрывалами — такими, какими их сделали конструкторы для сурового космоса.
Опасность для луноходов и других космических аппаратов на спутнике Земли представляют не только экстремальные перепады температур, но и реголит, который может нарушать работу электроники и оборудования. В то же время это перспективный ресурс. Разобрались в пользе и вреде от лунной пыли.
