Впереди — неведомый мир
Впереди — неведомый мир
При всем многообразии и обилии функциональных связей в современной технике, а в космической технике особенно трудно представить себе, что проблему, имеющую «практический выход», проблему, стоящую на «стыке» нескольких специальностей и специализаций может от начала и до конца решить один человек. Даже если он и эрудит, в лучшем смысле этого слова… Когда я решил рассказать о том, как и почему появилось демпфирующее устройство на спускаемых аппаратах «Венер», мне пришлось ознакомиться с диссертацией Павла Седова, посвященной исследованию динамики спуска космического аппарата в атмосфере планет. Ссылки в тексте, список литературы и перечень авторских свидетельств, приведенных в ней, довольно хорошо создавали картину «наступления» ученых, конструкторов и инженеров на трудности, которые препятствуют «спокойному» снижению «Венеры» в атмосфере одноименной планеты и объективно показывали, сколько сил и знаний нужно вложить для того, чтобы успешно завершить космический эксперимент.
Начало «наступлению» было положено в один из ранних весенних дней. В этот день Константин Михайлович, начальник отдела аэродинамики, тогда еще кандидат наук, озабоченно разглядывал принесенный ему Седовым график. На графике змеились синусоиды с нарастающей амплитудой.
— Ну и «раскачка» — тихо, как бы про себя, повторял Константин Михайлович. — Ну и «раскачка». Судя по всему, график, появившийся в результате последних расчетов, очень ему не понравился.
Это не было недовольство руководителя работой своих подчиненных, вызванное их недобросовестностью или неумением. Наоборот, именно умение и знания сотрудников позволили выяснить ту, можно сказать, неприглядную ситуацию, в которой может оказаться спускаемый аппарат «Венеры», если…
— Что же делать с этой «раскачкой»? Как удержать спускаемый аппарат от этих колебаний? — задумчиво проговорил Константин Михайлович, в который уже раз перебирая лежащие перед ним листы.
График наглядно демонстрировал как бы вынужденные, «маятниковые» способности аппарата — незначительные внешние силы, воздействующие на него при входе в атмосферу планеты, вызывали нарастающий лавинообразный процесс, который раскачивал его все больше и больше…
Проблема за проблемой… Каждый день новая…
Еще недавно в этом же кабинете конструкторы и расчетчики обсуждали вопрос о перегрузках, которые ждут спускаемый аппарат, когда он со скоростью почти одиннадцать километров в секунду войдет в атмосферу Венеры.
Всякий знает, даже если ему лично не приходилось прыгать с вышки в воду, а просто наблюдать за каким-нибудь смельчаком, что «входить» в воду желательно не плашмя, а так, чтобы площадь соприкосновения с ней была минимальной, иначе от удара о водную гладь не поздоровится.
Спускаемому аппарату тоже предстояло «нырнуть», правда, не в воду, а в плотные слои атмосферы планеты. А ведь площадь его соприкосновения с ней имеет какие-то конечные размеры. При этом корпус аппарата, всевозможные кронштейны и узлы крепления, аппаратура, размещенная в нем, каждая деталь, каждый элемент, как показывали расчеты, должны были выдержать перегрузку в 300–350 единиц. Даже специалистам эта цифра длительное время (пока к ней не привыкли) казалась фантастически огромной.
Ну, а не специалисты, особенно потом, после завершения экспедиции, подыскивали образные сравнения, призванные поразить, удивить, заворожить… Именно тогда и появились сравнения «Обычная буханка хлеба весит при такой перегрузке более четверти тонны», «сорвавшаяся с резьбы гайка, весом двадцать граммов, превращается почти в семикилограммовую, которая крошит, ломает все, что находится внутри отсека»…
Что же, спорить с этими образами не приходится. Все правильно. Кстати, поначалу, на самых первых испытаниях будет именно так — и «крошить», и «ломать»…
Помню, как однажды, когда во время совещания эту цифру, видимо, для убедительности, написали на доске да еще и взяли в рамочку, послышался вопрос;
— А испытывать на чем будем?
Складывалась следующая ситуация. Разрабатывается «Венера». Орбитальный аппарат и спускаемый. Создаются бортовые приборы, схемы и стенды для их отработки. Так нет же, этого мало. Еще нужно было сооружать центрифугу. Да какую! Заметим, позже ее назовут уникальной.
Действительно, центрифуга, которая могла бы создать такие перегрузки для устройства с массой почти четыреста килограммов, на нашем предприятии (и наверное, не только на нашем) не было. Испытывать спускаемый аппарат было не на чем.
— Запишите этот вопрос на доске, — показал рукой Константин Михайлович и добавил: — Будем докладывать главному, но гарантирую — этот вопрос не последний.
Один из конструкторов порывался что-то сказать.
Константин Михайлович посмотрел на него:
— Пожалуйста.
— Дело в том, что, по-моему, нужно обратить особое внимание, — конструктор подошел к доске и принялся чертить схематическое изображение баллона радиолампы, — на неравнопрочность отдельных элементов спускаемого аппарата. — (В комнате было несколько «теоретиков» и подробности предназначались, конечно, в первую очередь, для них.) — Что я понимаю под этим? — В нижней части баллона появилась дуга — катод, над нею несколько горизонтальных штрихов — управляющая сетка и еще выше — короткий отрезок — анод. — Возьмем для примера простейшую радиолампу. Скажем, триод, состоящий из анода, управляющей сетки и катода. Естественно, что триод не является равнопрочной конструкцией — большие перегрузки он может выдержать только в направлении, — на рисунке появилась жирная белая «стрелка», — параллельном сетке. А в направлении от анода к катоду или наоборот (на доске появилась еще одна стрелка) — меньшие.
Конструктор осмотрел присутствующих и, видимо, уловив в чьих-то глазах недоумение («теоретики»!), добавил:
— Почему? Да потому, что при значительной перегрузке в этом направлении сетка, которая находится как бы в подвешенном состоянии, может провиснуть и замкнуться или с анодом или с катодом. В зависимости от направления действия перегрузки. Ведь расстояния между электродами лампы малы до чрезвычайности. Что при этом произойдет? Да ничего. Ни-че-го — по слогам повторил он. — Просто схема не будет работать. Но вот, если перегрузка направлена параллельно сетке, ситуация станет уже не такой критической. Это относится и к реле, и к кронштейнам, и к другим деталям…
Смысл выступления конструктора сводился к тому, кто величина ожидаемой для «Венер» перегрузки обязывает ко многому. И в частности, в первую очередь требует тщательных исследований и выявления направлений, в котором приборы, так сказать, наиболее перегрузостойки, что очень важно для правильного размещения их в аппарате.
Наш «главный прочнист» резюмировал проблему так: — С перегрузкой бороться можно… Но для этого нужна опять-таки масса, поскольку любая деталь и ее крепление должны стать массивнее. Тем более, — он повернулся к Константину Михайловичу, — что вы, аэродинамики, допускаете, как я слышал, колебания спускаемого аппарата в весьма и весьма широких пределах…
Константин Михайлович наклонился к сидящему с ним рядом Седову и стал что-то с горячностью говорить ему. Седов, видимо соглашаясь, кивал головой.
— Если уменьшить амплитуду колебания, тогда задача, естественно, решается проще — такая большая перегрузка будет действовать лишь в узком угле, а по выходе из него — падать. В общем, — добавил «главный прочнист», — перегрузка для спускаемого аппарата есть проблема номер один.
Никто ему не возразил. Это был, что называется, его день.
Но ведь кроме «главного прочниста» есть у нас «главные» и по другим вопросам. И у каждого была своя проблема «номер один». И у каждого был свой день. Вот, например, Желтов — «главный тепловик». Однажды он пришел к начальнику отдела и спросил:
— Знаете ли вы, Константин Михайлович, какие температуры будут на спускаемом аппарате, когда он «врежется» в атмосферу Венеры со второй космической скоростью?
Константин Михайлович собственной рукой вписал в план бригады Желтова проведение тепловых расчетов и давно уже хотел от него услышать окончательные цифры.
— А вы знаете? — сделав ударение на «вы», спросил Константин Михайлович вместо ответа. — Ведь сегодня, если я не ошибаюсь, — он заглянул в настольный календарь, — пятнадцатое?
— Знаю, — ответил Желтов и, присев рядом с начальником отдела, развернул лист бумаги.
Разговор получился обстоятельным.
Многое прояснилось. Весь спуск уже был как бы разделен на два принципиально отличных друг от друга участка. Первый — участок аэродинамического торможения. Именно во время его прохождения должно осуществляться основное уменьшение скорости «Венеры»: почти с одиннадцати километров в секунду до трехсот метров в секунду. А это ни много ни мало, как примерно в 400 раз. Первый участок заканчивается раскрытием парашютной системы. Участок сложен не только появлением при торможении перегрузки, но и огромными температурами, возникающими в ударной волне, которые превышают десять тысяч градусов Цельсия.
— Расчеты показывают, — докладывал Желтов, — что на наружной обшивке, в его передней части, — он показал на принесенном эскизе спускаемого аппарата точный район, — температура достигает почти трех тысяч градусов.
— Ну, что же, будем бороться с ней сублимирующим слоем.
— Единственный способ! — поддержал Желтов предложение начальника отдела.
Сублимирующий слой — слой теплозащиты, который в условиях высоких температур переходит от твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Этот слой буквально вызывает «огонь на себя», «погибая» в адовых условиях, он сохраняет «жизнь» спускаемому аппарату.
Следующий участок — снижение на парашюте. Ему сопутствуют уже малые скорости и в этом — его основное отличие от первого участка. Но не только в этом. И в длительности прохождения участка. Потому что нарастающее по мере снижения аппарата давление припланетной атмосферы замедляет спуск, и поэтому он длится долго. Может показаться, что раз скорости снижения малы и спуск длителен, значит, опускаемый аппарат, перегревшийся на первом участке, может здорово поостыть, обеспечив, тем самым, тепловикам «легкую» жизнь. Однако все получается не так. Аппарат продолжает нагреваться.
Правда, механизм воздействия тепла теперь уже иной — хотя наружная температура намного меньше, чем на первом этапе, время ее воздействия намного больше, чем прежде, поэтому и бороться с теплом теперь надо иначе.
— Мы предлагаем уложить под слой теплозащиты еще и теплоизоляцию, которая не проводит (Константин Михайлович внимательно посмотрел на Желтова), ну, почти не проводит тепло, — поправился он.
— Ну, а какова должна быть масса теплоизоляции? — спросил Константин Михайлович. — Вы подсчитали?
Желтов назвал цифру.
— А теплозащита?
Конечно, она была больше, чем предусматривалось компоновкой, основанной на предварительных расчетах.
— Нет, такая масса не пройдет, если толщину теплозащиты по всей поверхности аппарата делать одинаковой. — Выход один — она должна быть — дифференцирована, разная, в соответствии с ожидаемыми в этих частях температурами… Но для этого нужно как-то уменьшить раскачку… И довольно прилично.
Снова эти колебания. Ну, прямо «завязли» в них, — устало подумал Константин Михайлович. — Теперь еще и «парашютисты» стонут…
Парашютная система должна быть безотказна и не, как иногда говорят, «практически» безотказна, что само по себе уже допускает какую-то, пусть даже самую малую вероятность несрабатывания, а безотказна абсолютно. Иначе, зачем лететь? Ведь конечная цель — определение параметров венерианской атмосферы будет не выполнена. Говоря о безотказности, я имею в виду не механическую прочность или теплостойкость парашюта. Будем считать, что «парашютисты» сделали все как надо — выбрали надлежащий материал для парашюта, его форму и всесторонне его проверили. Я имею в виду безотказность ввода в действие парашютной системы. Весь перелет парашют летит в сложенном виде в верхнем отсеке спускаемого аппарата, закрытым сверху специальной крышкой. И лишь по команде бортовой автоматики вводится в действие, выстреливается наружу. Наверное, не нужно подробно объяснять, какое значение при этом играют колебания аппарата.
А раскачка, как показывали бесстрастные седовские графики, являлась непременным атрибутом вторжения аппарата в венерианскую атмосферу. И вдобавок, размах этой «раскачки» превосходил все допустимые пределы.
… — Может быть доложить Главному конструктору? — прервав ход мыслей Константина Михайловича, опросил Седов.
— Доложить Главному — дело не хитрое. Но когда он меня спросит: «А что же ты предлагаешь? — что я отвечу? — рассуждал вслух Константин Михайлович. — Нет, выходить на Главного, не имея решения, нельзя, — категорично добавил он, наверное, больше для себя, чем для Седова. — А Вас, — продолжал Константин Михайлович, обращаясь к Седову, — я прошу просчитать все мыслимые варианты условий спуска. Побольше вариантов и сочетаний. Надо глубже разобраться с этим процессом.
— Как вы считаете, стоит ли закладывать в расчет вероятностные соображения? — спросил Седов.
— Вероятность события… — повторил Константин Михайлович. — Станция полетит одна. Вот вам и вероятность события… Даже, если бы их было две, то все равно ничего не изменилось бы. Наша задача состоит в том, чтобы предусмотреть то, что реально и возможно.
Нужен был демпфер.
Константин Михайлович понимал, что без демпфирующего устройства, предназначенного согласно классическому определению «… для устранения колебаний (или уменьшения их размаха) в механической или электрической системе» не обойтись. Ничто, кроме него, не способно справиться с непокорным, вышедшим из повиновения, спускаемым аппаратом. Но демпфер демпферу рознь. У каждого свои конкретные особенности, хотя в основе множества таких приспособлений — один единственный принцип, который объяснить достаточно просто; палка и кольцо.
Действует эта система так. Палка колеблется относительно одного из своих концов, закрепленного неподвижно. Чем можно ограничить ее колебания? Кольцом, размещенным вокруг нее, большего диаметра, если на амплитуду колебания нет жесткого допуска, меньшего, если колебания нужно здорово ограничить. Кольцо — поглотитель энергии колебаний, демпфер.
Кольцо — просто. Кольцо решает проблему. Но разместить его вокруг опускаемого аппарата Венеры даже при самом огромном желании невозможно. Тут нужно что-то другое… На том же принципе…
Первое возможное конструктивное решение предложил Константин Михайлович. Ему удалось, воспользовавшись известным в технике «принципом обратимости», разместить подобие, правда, далекое, кольца внутри опускаемого аппарата. Это предложение стало основной отправной точкой поисков. «Свои» конструкторы и «энтузиасты» из смежного исследовательского института взялись за математический анализ процесса, помогли составить необходимые уравнения.
Расчетчики получили в руки математическое обеспечение. На стенде, созданном в институте, опробывались варианты демпфирующих устройств, которые вырастали из раздумий теоретиков и конструкторов.
По вечерам кабинет Константина Михайловича превращался в арену бескомпромиссных опоров, потому что мало было придумать конструкцию, мало было заставить ее «работать». Нужно было разместить демпфер в аппарате, а ведь он занимает не бог весть сколько места.
— Этот демпфер позволяет уменьшить массу термопокрытий и обеспечить безотказный ввод парашюта и нужную ориентацию антенны радиовысотомера, — закончил доклад Константин Михайлович.
Главный конструктор подошел к письменному столу, стоящему в отдалении, взял ручку, и склонился над чертежом.
… В статье «Новый этап в освоении космоса», посвященной полету «Венеры-4», есть такая фраза: «В нижней его части (Речь идет о спускаемом аппарате. М. Борисов) установлен демпфер, уменьшающий колебания аппарата при движении в атмосфере планеты».
На всех последующих «Венерах? демпфер изменениям не подвергался.