– Товарищи солдаты! Перед вами новый, секретный образец танка. Его броня способна выдержать температуру от –500 до +500 градусов по Цельсию…
– Товарищ майор! Температуры ниже –273 градусов по Цельсию не бывает! Ученые не знают таких температур!
– Повторяю: танк СЕКРЕТНЫЙ! Ученые могут и не знать!
В космосе холодно – чаще всего люди думают именно так, но это неверно. Температура – мера средней энергии движения молекул вещества, так что в космосе ее быть не может. Энергию в безвоздушном пространстве невозможно измерить, так как атомов и молекул там почти нет. Однако у космического аппарата в полете температура будет, и определяется она по энергии излучения. Солнце излучает свет, а все предметы в космосе поглощают его и при этом нагреваются. И, конечно, все предметы, которые имеют температуру, тоже светятся в разных диапазонах спектра, отдают энергию и остывают.
Ошибки, связанные с неверными расчетами температуры, появились уже при запуске второго спутника, на борту которого находилась первая пассажирка – собачка по кличке Лайка. Многие знают эту трагическую историю и считают, что сам полет в принципе являлся большой ошибкой. Спутник не был оборудован никакими системами посадки, даже не было парашюта. Лайка была обречена с самого начала. Были в полете и незапланированные технические проблемы. Предполагалось, что собака проживет в космосе десять дней, и в течение этого времени ученые будут следить за изменениями в организме в условиях невесомости. Однако температура в кабине стала медленно нарастать, и уже на седьмом часу полета Лайка погибла.
Как уже было сказано, в космосе под действием солнечного света космические корабли нагреваются. Представьте, что вы летом сидите внутри машины без окон и дверей под палящими лучами. Конечно, когда спутник двигается в тени Земли, он начинает охлаждаться. Чтобы температура была в норме, нужно держать баланс. У Лайки на борту никаких активных систем контроля температуры не было, только небольшой вентилятор. Кроме того, второй спутник вышел на такую орбиту, что в тень от Земли он попадал на гораздо меньший промежуток времени, чем находился на Солнце. Третий момент был связан с размерами. Спутник был небольшого размера, и все необходимое оборудование в него не влезало. Чтобы сэкономить место, некоторые системы были размещены в ступени ракеты-носителя, которую от спутника конструкторы решили не отделять. В итоге в космосе летал здоровенный 31-метровый цилиндр. Чем больше объект, тем больше на него будет падать света, тем быстрее он будет нагреваться. Три этих момента привели к тому, что температура в кабине, где находилась Лайка, быстро росла и не успевала снижаться до комфортного уровня. В результате собака погибла от перегрева. Конечно, она не выжила бы в любом случае, но эти ошибки приблизили ее гибель. Зато уже третий и последующие советские спутники имели специальные радиаторы, активную систему охлаждения, для них рассчитывались температурные нагрузки с учетом орбиты и размера аппарата.
Четвертый советский аппарат на орбите получил имя Корабль-спутник. Он уже умел поворачиваться к планете и Солнцу разными боками. Кроме того, входящая в его состав кабина, так называемый спускаемый аппарат, могла возвращаться на Землю. На борту имелись небольшие двигатели ориентации и тормозной двигатель для схода с орбиты. Положение в пространстве определялось по солнечному датчику и датчику горизонта. Оба работали с помощью света. В приборе был набор небольших окошек с разных сторон. В какое окошечко проходил свет – с той стороны Солнце. Датчик горизонта Земли работал по тому же принципу, но реагировал не на оптическое излучение, а на инфракрасное тепловое от Земли. Вот только этот прибор забыли защитить от перегрева. Вроде бы датчик был небольшой и не мог нагреться так, чтобы выйти из строя. И действительно прибор работал, но возник неожиданный эффект. Нагретая боковая стенка датчика горизонта, как любой нагретый предмет, стала сама светиться инфракрасным излучением. Чувствительный элемент в приборе решил, что это свет от Земли, и выдал команду на включение двигателей. Однако Земли с той стороны не было. Вместо того чтобы вернуться на планету, Корабль-спутник отлетел от нее.
Охлаждение тоже порой сильно мешает. Так, первая попытка развернуть на орбите активный спутник-ретранслятор провалилась из-за замерзания. Этот космический аппарат получил имя «Молния». Спутнику связи требовалось значительное количество солнечных батарей для выработки электрического тока под приемные и передающие устройства. Солнечные батареи разворачивались веером во все стороны. Только конструкция была такова, что провод от главного инструмента – антенны – всегда находился в тени. Гибкая на Земле изоляция из поливинилхлорида в космосе замерзла и затвердела. При попытке разворачивания антенны провод стал фиксатором и не позволил ей сдвинуться с места.
Первый аппарат, который должен был полететь на Венеру, не смог уйти с орбиты Земли. Его прозвали Тяжелым спутником, чтобы скрыть основное назначение аппарата и выдать неудачу за успех.
Причина, по которой аппарат не смог улететь на Венеру, – испарилась смазка электромеханического преобразователя напряжения. И те части, что должны были поворачиваться, из-за трения не повернулись. Тогда ученым было выдано задание разработать новые смазочные материалы.
Для решения конкретной проблемы преобразователь на дублере поместили в герметичный контейнер. На других аппаратах в качестве смазки использовали легкоплавкие металлы, такие как натрий или литий. При нагреве на солнечной стороне орбиты эти металлы плавятся и образуют тонкую жидкую прослойку для облегчения скольжения. Но это тоже оказалось не лучшим решением, так как при низкой температуре металлы, естественно, находились в твердом состоянии и трение только увеличивали.
В миссии «Джемини-4» был осуществлен выход в открытый космос через специальный люк. Когда же пришло время его закрыть, то у астронавта Джеймса МакДивитта с первого раза это сделать не получилось. Что-то мешало люку закрыться плотно. Только совместными усилиями вместе с Эдвардом Уайтом удалось выходной люк запечатать. Потом, уже на Земле, поняли, что в вакууме из-за нагрева, а потом охлаждения металла сварились вместе витки пружины.
Еще один забавный случай произошел в экспедиции Skylab 3. Астронавты Алан Бин, Оуэн Гэрриотт и Джек Лаусма летели к станции Skylab на корабле Apollo CSM-117. Внезапно они заметили нечто, пролетающее мимо за бортом. Джек Лаусма, который сидел справа ближе всех к иллюминатору, удивленно сообщил: «Я думаю, мимо окна прошел двигатель… Это выглядело точно как наш двигатель!»
На самом деле это была ледяная пробка. По всей видимости, в трубке, подающей топливо к двигателю, появилась течь. Жидкое горючее просачивалось в космос, налипало на стенки элементов двигателя (в первую очередь сопла) и замерзало. При подлете к станции началась подготовка к включению двигателя для маневрирования, и из-за этого кусок льда, повторяющий форму двигателя, оторвался и пролетел мимо астронавтов, изрядно их напугав. В конечном счете позже появилась так называемая твердая смазка из дисульфида молибдена.
Самые высокие тепловые нагрузки на космический аппарат возникают во время вхождения в атмосферу. От трения о воздух при движении на огромной скорости корабли нагреваются до 2000 °C. Для защиты спускаемых аппаратов инженеры используют несколько слоев теплоизолирующего материала под названием асботекстолит. По сути, это ткань, только очень плотная и жаропрочная. Асботекстолит плохо горит и практически не пропускает тепло. Даже если один или два слоя прогорят, это ни на что не повлияет. Для шаттла такой материал не годится, так как кораблям этого типа нужно сохранять вид самолета. Шаттл садится, используя крыло, и потому ему нужна особая аэродинамическая форма. В данном случае днище, крыло и фюзеляж многоразового корабля обклеиваются специальной керамической плиткой. Просветы между плитками заполняются теплоизолирующим клеем. Инженеры замечали, что после нескольких полетов американского аппарата плитка отваливается. Конструкторы недосчитывались иногда до трех сотен плиток. Но при этом ресурс тепловой защиты позволял успешно садиться. Затем инженеры восстанавливали плитку, и можно было лететь повторно.
Серьезная ошибка, связанная с температурой, произошла при катастрофе шаттла «Колумбия». Когда он стартовал, специалисты во время запуска обнаружили, что от топливного бака отделился кусочек пеноуретана. Этот материал тоже использовался для тепловой изоляции, но не корабля, а топливного бака. В этом баке хранился жидкий водород при температуре –259 °C. Чтобы горючее не нагревалось от тепла атмосферы, баки изолируют.
И если бы пеноуретан просто отвалился, ничего страшного бы не произошло, но он попал в левую консоль крыла и сломал на нем теплозащитную плитку. Для дальнейшего полета это было неважно, так как шаттл уже практически вылетел за пределы плотных слоев атмосферы. Однако нужно было еще возвращаться. Несколько специалистов забили тревогу, но руководители программы заверили, что эта ситуация не принесет катастрофических последствий. Как же они ошибались. Запросы на осмотр повреждений были отклонены. К слову сказать, на борту не было возможности починить теплозащиту собственными силами. Технология ремонта шаттла непосредственно в космосе существовала, но так и не была внедрена и ни разу не использовалась. Тем не менее варианты спасательной операции с использованием другого шаттла или Международной космической станции существовали. Все они были отброшены.
«Колумбия» стала возвращаться на Землю. Всего через пять минут после входа в атмосферу температура кромки крыла выросла до 1500 °C. В месте удара прогорела оболочка, и горячий газ стал проходить в полости внутри крыла. Силовой элемент, который придает крылу жесткость, – лонжерон – прогорел уже через несколько секунд. От набегающего потока воздуха крыло начало разрушаться изнутри. Через минуту стали отваливаться первые куски, а на второй минуте повреждения были уже катастрофическими. Шаттл развалился, большая часть его обломков сгорела, а некоторые разлетелись на сотни километров. На борту было семь астронавтов: Дэвид Браун, Рик Хазбанд, Лорел Кларк, Калпана Чаула, Майкл Андерсон, Уильям МакКул и Илан Рамон. Как нетрудно догадаться, никто не выжил. Семь человеческих жизней – цена одной из самых масштабных аварий в истории космонавтики.