Игорь Афанасьев

Что такое абляция, и как она спасает жизни

При возвращении с орбиты спускаемый аппарат с космонавтами должен пройти сквозь атмосферу, погружаясь в плазму и подвергаясь сильнейшему аэродинамическому воздействию при чудовищной скорости порядка 27 000 км/ч. 

Без достаточной защиты сгорит и разрушится любая металлическая конструкция, все равно, из чего ты ее ни делай — хоть из алюминия, хоть из вольфрама. Защита корабля должна играть роль хорошего жаростойкого теплоизолятора (т.е. одновременно не гореть и обладать малой способностью к теплопередаче).

абляционная теплозащита

 (от латинского ablatio — удаление, отнятие). Она работает, используя ряд физико-химических процессов. Во время спуска при интенсивном воздействии потока воздуха в материале теплозащиты формируется три слоя. Наружный обгорает и разрушается, сгоревшие частицы уходят под воздействием набегающего потока, унося с собой тепловую энергию. Это «жертвенный» слой теплозащиты, однако значительная часть энергии рассеивается в виде инфракрасного излучения ударной волны и раскаленных частиц.

Непосредственно под слоем, подверженным эрозионному уносу, происходит процесс разложения высокомолекулярных полимеров (пиролиз): смола и стеклоткань распадаются на низкомолекулярные газы и обугленный остаток (кокс). Продукты распада образуют «воздушную подушку», которая препятствует эрозионному уносу вещества с поверхности теплозащиты. Слой, прилегающий к конструкции, имеет низкую теплопроводность и играет роль теплоизоляции стенки.

Корабль — не шашлык, обгорает неравномерно

Изначально вся теплозащита, покрывающая спускаемый аппарат «Союза», гладкая и имеет ржаво-коричневый цвет. В той части, которая стоит перпендикулярно набегающему потоку, защита должна быть массивнее (в донном экране она чуть ли не в пять раз толще, чем на боковых стенках). Однако с помощью специальных методов центр масс спускаемого аппарата смещают так, чтобы обеспечить несимметричное обтекание: союзовская «фара» входит в атмосферу днищем вперед, но часть боковой стенки тоже оказывается подвержена воздействию набегающего потока.

Для спуска «Союза» с орбиты в широком диапазоне начальных условий — как с использованием аэродинамического качества, так и без него (при баллистическом спуске) — применяется система управления движением в атмосфере. Она основана на методе программного разворота спускаемого аппарата по углу крена (при постоянном угле атаки), что в процессе полета обеспечивает изменение эффективной силы — проекции подъемной силы на вертикальную плоскость. При этом для управления нужны сравнительно небольшие моменты — их обеспечивают микродвигатели системы управления спуском, работающие на перекиси водорода. Слив остатков этого компонента из баков спускаемого аппарата часто виден в телерепортаже — вскоре после начала парашютирования, когда отстреливается лобовой щит, вокруг корабля возникает белое облако  уходящей перекиси.

Из-за этой асимметрии после спуска можно видеть, что в большей степени обугливается самый низ (донный экран отстреливается после ввода парашютов, обнажая двигатели мягкой посадки) и часть боковой поверхности, между днищем и крышкой парашютного отсека. Здесь оранжево-ржавая теплозащита превращается в обуглено-черную.

photo_2024-07-09_16-51-06.jpg

Москвичи страдают от экстремальной жары, завидуя космонавтам: те работают в комфорте благодаря функционированию системы терморегулирования, удерживающей температуру в отсеках МКС в пределах 18 — 26°С. Однако не стоит забывать, что без этой системы экипаж спекся бы на солнечной стороне орбиты, где внешние элементы конструкции нагреваются почти до 120°C. А при возвращении на Землю спускаемый аппарат с космонавтами буквально горит, раскаляясь до 2300°С.

Космическая жара: как космонавты защищены от сверхвысоких температур

Михаил Котов

Инициатором и инвестором программы Polaris стал миллиардер Джаред Айзекман (он же был спонсором туристической программы Inspiration4). Также в
финансировании приняла участие и сама компания SpaceX. 



Вскоре после анонса «Рассвета» стало понятно, что прикрутить дополнительный шлюз к
космическому кораблю Crew Dragon будет достаточно проблематично, а потому во время полета придется разгерметизировать все пространство корабля, как это делалось во время
американской программы Gemini,
когда в 1965 году астронавт Эд Уайт впервые вышел в открытый космос, разгерметизировав корабль «Джемини-4».



Но главной проблемой стали скафандры для внекорабельной деятельности. Еще&nbsp;в сентябре 2022 года начались тренировки по выходу в открытый космос, но затем пошли постоянные переносы сроков старта Dawn.
Все члены экипажа рапортовали о том, что все идет отлично, но полет сначала
переместился на март 2023 года, затем на июль, а потом и на 2024 год, сначала
на весну, а теперь на лето.



Новые старые скафандры



4 мая этого года компания SpaceX
презентовала новые скафандры, которые будут служить как аварийно-спасательными,
так и для выхода в открытый космос во время миссии Polaris Dawn. Как и предполагалось, новый скафандр стал модернизацией старого аварийно-спасательного скафандра
компании SpaceX. 

В новой его версии была заявлена большая подвижность.
Но как это вяжется с заявлением самого Айзекмана, что новый скафандр стал
тяжелее? Скорее всего, речь идет об установке шарнирных соединений в местах
сгибов. В условиях нормального давления они не нужны, а вот когда скафандр
будет наддут, без шарниров движения в нем станут проблематичными.

Шлем, напечатанный на 3D-принтере, оснащен новым покрытием для уменьшения
бликов, HUD-дисплеем, который предоставляет информацию о давлении, температуре
и относительной влажности в скафандре, а также камерой. Шлем стал
шире, для более удобного движения головы. Любопытно, что новое покрытие на
шлеме статично, в отличие от привычных сдвижных светофильтров, знакомых по
российским и американским скафандрам для выходов в открытый космос. Также не совсем понятно решение
установки лампы внутри шлема, это снижает эффективность светофильтра.

Как уверяют в&nbsp;SpaceX, в конструкции скафандра использованы новые текстильные
материалы для терморегуляции и материалы, заимствованные из переходного отсека
ракет Falcon 9 и служебного отсека кораблей Dragon. Судя по всему, речь идет о варианте тефлонового покрытия. Скафандр также получил усовершенствования,
обеспечивающие надежность и резервирование систем во время выхода в открытый
космос, в частности — новые уплотнения и клапаны.

Как было заявлено в пресс-релизе: «Для строительства базы на
Луне и города на Марсе потребуются миллионы скафандров. Разработка этого
скафандра и выход в открытый космос являются важными шагами на пути к
масштабируемому дизайну скафандров для будущих длительных экспедиций, по мере того,
как жизнь станет мультипланетной».


Слишком мало информации

Спустя сутки появилось еще немного информации о технических данных скафандра.
Это произошло в диалоге канадского астронавта Криса Хэдфилда и главы проекта Polaris Dawn Джареда Айзекмана. Стало известно, что рабочее давление
скафандра 0,3 атмосферы. Это привычное для американских астронавтов давление, в
отличие от российских «Орланов», где используется давление в 0,4 атмосферы.



Предполагается, что скафандры будут использовать кислородно-азотную воздушную
смесь, но возможно, и дыхание чистым кислородом. Следовательно, готовиться к
выходу в открытый космос, а потом переходить к нормальному давлению
астронавтам придется достаточно долго. Входы для подключения систем жизнеобеспечения расположены на передней стороне «бедра» с дополнительными портами для кислорода и
системы управления на другой «ноге».


Также было названо время автономной работы в два часа. Хотя не совсем понятно,
чем оно ограничено, так как смесь для дыхания и воздух для системы охлаждения
скафандра будут поступать с корабля.

В целом то, что было показано, скорее напоминает первый прототип,
нежели готовое изделие. То же самое, впрочем, было и с аварийно-спасательными
скафандрами SpaceX,
которые впоследствии получили систему жизнеобеспечения и стали не особо похожи
на первый «супергеройский»&nbsp;макет, нарисованный художником Хосе Фернандесом. Так
что ждем информации о финальном виде изделия и о сертификации
скафандра для космотуриста.

spacex-uzay-giysisi-eva-suit-1-e1714990917502 копия.jpg

Первый этап космотуристической программы Polaris («Полярная»), получивший название Dawn («Рассвет»), должен был стартовать еще в декабре 2022 года. Его «фишка» —  первый в истории выход непрофессионалов в открытый космос. Но «Рассвет» постоянно откладывается. Главная причина —  SpaceX, которая технически обеспечивает проект, никак не может довести до ума скафандры для внекорабельной деятельности.

«Рассвет» откладывается: скафандр для космотуриста — это лишь «супергеройский» прототип

В советской и российской космонавтике ситуации, когда запуск отменялся
буквально за несколько минут до старта, очень редки. На ум приходит
первый запуск с космодрома «Восточный», в апреле 2016 года. Предполагалось, что
27 апреля с новейшего российского космодрома в присутствии президента России
будет произведен первый запуск: ракета «Союз-2.1а» должна была вывести на
орбиту космические аппараты «Ломоносов», «Аист-2Д» и SamSat-218 («СамСат-218»).
Автоматика отменила его за полторы минуты до старта, и пришлось переносить на
резервную дату 28 апреля, когда он и был удачно выполнен без проблем и
технических происшествий.

Как впоследствии стало известно, запуск с Восточного был отменен из-за «недостатков
работы одного из кабелей». О причинах первым рассказал тогдашний руководитель
«Роскосмоса» Игорь Комаров: «Вчера была автоматическая отмена автоматики
наземной системы управления. Она прервала программу полета на короткий срок.
Проблема в том, что по одному из параметров не прошло подтверждение нормальной
работы систем. Мы убедились, что системы работают нормально. По всей видимости,
недостаток работы одного из кабелей, были заменены кабели».

Но это непилотируемый запуск, к их переносам в отрасли относятся гораздо проще. С
пилотируемыми такая ситуация раньше не происходила. Можно лишь вспомнить
буквально пару случаев, когда пуск уже заправленной ракеты-носителя
передвигали на резервный день. Но это не отмена запуска, когда экипаж находится в корабле.

В чем минус подобной ситуации? Во-первых, конечно же хочется, чтобы запуски
происходили, как по нотам. Увы, но реальность такова, что
время от времени какие-то проблемы и отказы все равно будут. Это техника и
люди, по-другому, просто не получится. Поэтому всегда лучше предупредить
потенциально аварийную ситуацию, нежели пытаться разбираться с ее последствиями
– повреждениями стартового стола или в худшем случае неудачным стартом
ракеты-носителя.&nbsp;Автоматика для того и существует, чтобы предупреждать аварии. 

Кроме этого, изменение даты старта практически всегда приводит к изменению
баллистических условий запуска. Изменяется фазовый угол, а значит приходится с
привычной уже сверхкороткой схемы, переходить на классическую двухсуточную. Это
снова дополнительная нагрузка на космонавтов и необходимость быстро
перестраиваться.
С другой стороны, это часть работы, а безопасность все равно важнее. Экипаж
корабля понимает это больше других.

Но если для российской космонавтики как переносы стартов из-за погоды, так и автоматическая
отмена старта, вещи достаточно редкие, то, к примеру, для американской SpaceX, это
в порядке вещей. Задержки и переносы по причине погоды для американской
космонавтики&nbsp;—&nbsp;это вообще норма.&nbsp;

Что же
касается пилотируемых запусков, то вот один из последних примеров — запуск Crew-6 к МКС в феврале 2023 года. 
Во время трансляции запуска 27 февраля примерно за 5 минут ведущие упомянули о
проблеме со смесью для системы зажигания двигателей примерно за пять минут до
ожидаемого времени старта (ее загрузка согласно циклограмме запуска начинается
за 9 минут 45 секунд до старта, за 3 минуты 40 секунд начинается автоматическая
подготовка системы зажигания, а за 3 секунды - само зажигание). Специалисты
компании не смогли решить техническую проблему, прямо во время подготовки и в результате,
за 2 минуты 12 секунд до запуска стартовый таймер был остановлен после
команды — «HOLD! HOLD! HOLD!».

Как впоследствии сообщила NASA: «Возникла проблема с наземной инфраструктурой,
не позволяющая подтвердить данные о полной загрузке смеси для зажигания
двигателей первой ступени Falcon 9». В результате запуск пилотируемого
космического корабля Crew Dragon с экипажем в котором был российский космонавт Андрей
Федяев пришлось отложить до 2 марта 2023 года.

Что по итогу? Произошедшее на космодроме Байконур с космическим кораблем «Союз
МС-25» редкое, но совсем не уникальное происшествие. И уж тем более в этом нет
ничего ужасного, как это подавалось в некоторых блогах. Да, ситуация неприятная
и требует дополнительных проверок и работ, чтобы исключить подобное в
дальнейшем. С другой стороны, важнее всего, что потенциально опасную ситуацию
удалось предупредить.&nbsp;

9.webp

21 марта 2024 года на космодроме Байконур во время подготовки к старту ракеты носителя «Союз-2.1а» с космическим кораблем «Союз МС-25» произошла автоматическая отмена пуска. Причиной стала просадка напряжения химического источника тока. Экипажу пришлось покинуть корабль, а ракету начали готовить к старту на резервную дату 23 марта 2024 года. Часто ли случаются подобные события и как перенос запуска повлиял на полет экипажа?

Игорь Афанасьев

Все колонки автора

Наши колумнисты

Вас может заинтересовать