3.17   Космический кран

3.17   Космический кран

Многие, наверняка, помнят, какое воздействие на людей всего мира оказал запуск первого спутника, совсем небольшого и простого, почти простейшего. Некоторые знают не только это. Теперь известно, что думали и ожидали перед запуском его создатели, руководители будущей космонавтики, гиганты науки и техники XX века. Действительное воздействие превзошло все самые смелые ожидания, предсказания даже самых прозорливых футурологов и политиков.

Я воспользовался этим ярким примером намеренно. В последующем развитии космонавтики научные открытия и технические достижения оказывались более предсказуемыми, и их воздействие соответствовало ожиданиям. Но не совсем. Космический кран, который мы разработали в 1990 году, можно отнести к немногим исключениям. Само это несколько парадоксальное название появилось позднее, когда в начале 1991 года космонавты установили и смонтировали его за бортом станции «Мир». Сначала мы разрабатывали всего–навсего грузовую стрелу — довольно простой, почти обычный механизм, если не считать назначения и, может быть, его длины. Однако проектанты и специалисты по поддержке работы космонавтов, выдавшие нам техническое задание на проектирование, задумали его умно и предвосхитили для крана большое космическое будущее. Вскоре он стал почти незаменимым во время внекорабельной деятельности (ВКД) космонавтов, за бортом орбитальной станции. Однако ни они, ни мы, его создатели, не могли ожидать такого эффекта, который получился в итоге.

Космический полет необычен во многом. Невесомость воздействует как на организм человека, так и на его работоспособность на орбите. Это проявляется даже в замкнутом объеме, в корабле или внутри станции. Однако ВКД занимает особое место в космическом полете. Прежде всего космонавтам необходим специальный скафандр, этот персональный корабль в корабле. Он позволяет человеку выжить в вакууме, под прямыми лучами заатмосферного Солнца, защищает его и от холода, и от избыточного тепла, обеспечивает связь и многое другое. В то же время скафандр сильно ограничивает подвижность, видимость и другие возможности космонавта. Вот почему в открытом космосе особенно необходимы специальные инструменты и приспособления, разного назначения ручные и ножные. В конце концов, потребовался космический кран. В 60–е годы в первых полетах всех этих чисто космических инструментов не было. Более того, возможности и ограничения не понимали те, кто планировал первые эксперименты в открытом космосе. Только много лет спустя окончательно осознали, что космонавт должен «встать на якорь», чтобы не уплыть, иметь точку опоры в безопорном пространстве и освободить себе руки. Только после введения таких подсобных устройств космонавт стал полноценным работоспособным человеком. Почти как в своем развитии на Земле: неандерталец, встав на ноги, освободил себе руки, — и труд создал человека. Затем стали создавать и совершенствовать орудия охоты и труда. В конце концов, потребовался космический кран.

Я до сих пор не забыл яркие, образные рассказы А. Леонова, который первым вышел в открытый космос. Фактически он с трудом вернулся обратно в шлюзовую камеру своего «Восхода-2». Мне также привелось читать интересные книги Э. Олдрина и М. Коллинза, корифеев астронавтики. Им пришлось много работать в открытом космосе еще по программе «Джемини». Они испытывали большие трудности, работая в безопорном пространстве. Мне кажется, что им там очень не хватало космического крана.

Грузовую стрелу спроектировали вначале с ограниченной задачей. В соответствии с названием она предназначалась только для перемещения космических грузов. На практике, на орбите, за бортом станции «Мир» она превратилась в нечто большее — в лестницу, в пассажирский космический транспортер, лифт и многое другое.

Человек в космосе во многом повторяет тот же путь, что и на Земле при разработке и создании техники и технологий. Происходит это, однако, с гораздо большей, можно сказать, с космической скоростью. Совсем недавно началось строительство в космосе. Сборка орбитального комплекса «Мир» велась по генеральному плану с 1986 года. Автоматы и человек, шаг за шагом, этап за этапом достраивали свой космический дом. За 12 лет строительства в генплан время от времени вносились коррективы. Постепенно назрела необходимость перестройки в космосе. Начался перенос элементов конструкции, расчистка площадей под новое капитальное строительство. Не обошлось здесь без механизации тяжелых и трудоемких работ.

За весь период строительства и эксплуатации станции космонавты выполнили много уникальных операций в открытом космосе, перемещая все более тяжелые грузы. Невесомость помогала нести эту тяжелую ношу. Однако все больше чувствовалась, что приближался предел. Отсутствие веса не изменило второго фундаментального закона вселенной, ньютоновская инерция продолжает работать на орбите. Чем больше масса груза, тем труднее космонавту разгонять и тормозить его. Того и гляди, что?то тяжелое вырвется из рук, а то и прижмет человека или столкнет его с борта корабля.

В связи с этим и решили изобрести орбитальную грузоподъемную машину, этот космический кран. Его смонтировали за бортом станции 23 января 1991 года, а еще через три дня, 26 января, космонавты В. Афанасьев и М. Манаров впервые испытали его за бортом орбитального комплекса «Мир».

Стрела космического крана (в технических документах она называлась «грузовая стрела»), развернутая почти на 15 метров, действительно произвела большое впечатление на всех, кто видел ее впервые на экранах мониторов в ЦУПе и вечером в программе «Время» Центрального телевидения тогда еще Советского Союза. Картина становилась еще более впечатляющей, когда Манаров, первый космический «крановщик», в соответствии с лучшими традициями настоящих экспериментаторов всех времен и народов в разных областях науки решил провести испытания на себе. Он стал первым весомым грузом, когда, добравшись до самого ее конца, попросил своего командира привести в действие поворотные механизмы. Дело не ограничивалось одними эмоциями. Прежде всего космонавты направили стрелу так, что она по кратчайшему расстоянию пересекла станцию от дальнего конца модуля «Квант-2», почти дотянувшись до модуля — «однофамильца» самого первого «Кванта». Стрела не только сократила расстояние: гипотенуза, как известно, короче суммы двух катетов, двигаться вдоль стрелы гораздо удобнее и быстрее, никаких поворотов и препятствий, да и перила — под рукой. Видеозаписи дали нам возможность определить даже динамические характеристики конструкции, частоту колебаний и демпфирование.

Откровенно говоря, мы все же опасались за результаты первого эксперимента с живым грузом и, как могли, сдерживали неподдельный энтузиазм наших разведчиков, летавших с грузоподъемной техникой над всей вселенной. Вначале космонавты разворачивались слишком медленно и вскоре выбились из графика, в конце выхода время, как всегда, поджимало, сроки пребывания в открытом космосе строго ограничены. Несмотря на это, руководитель полета В. Рюмин уговорил первопроходцев, вдохновленных первым успехом, не совершать перелет к выходному люку по большой дуге на конце стрелы, что сократило бы время возвращения на базу, а действовать по заранее разработанному плану.

Первая крановая операция, к общему удовлетворению, закончилась успешно. Конструкция и операторы механизма подтвердили все, что было задумано. Стрела разгонялась, плавно двигаясь, и останавливалась там, где надо.

Первоначально планировалось, что первой настоящей грузовой операцией будет перенос многоразовых солнечных батарей (МСБ). Эту космическую перестройку предусмотрели в 1987 году. Фактически эта сложная работа отложилась аж на четыре с половиной года. Поэтому рассказ об этом впереди.

Первую статью о космическом кране опубликовал журнал «Грузоподъемные машины» в начале 1991 года. Помню, с каким увлечением, можно сказать, с космическим подъемом редактировал рукопись главный редактор этого журнала.

Грузовая стрела, по идее, была несложной: телескопическая балка с двухстепенным шарниром у основания, снабженным двумя приводами с ручным вращением. При детальной разработке конструкция обросла многими элементами. На практике просто никогда не бывает.

Как в классической земной конструкции, космический кран имел три степени подвижности: стрела могла поворачиваться относительно двух осей и изменять длину. Для поворота установили два привода, которые приводились в действие вручную. Также вручную космонавты могли раздвигать телескопическую конструкцию и складывать ее, изменяя вылет стрелы.

Конструкцию рассчитали на перенос грузов массой до тонны. Эта величина в определенном смысле характеризовала грузоподъемность космического крана, точнее сказать — «массоподъемность». В силу невесомости, отсутствия силы веса на орбите этот нестандартный параметр определял лишь динамические нагрузки на конструкцию. При одинаковых возмущениях этой механической системы перегрузка тем выше, чем больше масса груза, откуда — введенная терминология и необычная, можно сказать, чисто космическая эксплуатационная характеристика.

Конструкторы снабдили кран различными приспособлениями, чтобы удобнее выполнять космические операции. Среди них оказались и обычные земные устройства, включая приспособления для разворачивания и фиксации. Дополнительно потребовались чисто космические приспособления. Прежде всего у основания крана установили те самые якоря для фиксации самого космонавта на новом рабочем месте.

Приспособления установили даже на самой стреле, чтобы облегчить ее раздвижение и складывание. Вдоль стрелы протянулись специальные страховочные леера. Дело в том, что начиная с 1990 года космонавты перешли на так называемые автономные скафандры «Орлан», не имевшие механический связи со станцией. Эти скафандры были разработаны в рамках создания системы перемещения космонавта (СПК), которую образно называли «космическим мотоциклом» и которая дважды была успешно испытана в открытом космосе летом того же года. Старые скафандры связывались со станцией шлангами и кабелями, с помощью которых подавался кислород, электроэнергия и поддерживалась связь с основным бортом. Механические связи существенно ограничивали подвижность космонавта и создавали дополнительные затруднения, однако они надежно страховали от фатальной опасности оторваться от своего берега и быть унесенным на какой?нибудь льдине в бескрайний океан космоса. Разорвав пуповину, космонавт получил большую свободу, однако должен постоянно помнить о смертельной опасности и страховать себя специальными фалами, цепляясь за поручни или другие элементы, заранее проложенные по корпусу станции на Земле или установленные в полете самими космонавтами. Для СПК решили обеспечить страховочную связь со станцией, «мотоцикл», как необъезженного жеребца, постоянно держали на привязи. Специальная лебедка, которую мы разработали в эти же годы, могла подтянуть космонавта ко входу шлюза станции.

Грузовая стрела в отличие от своих наземных прототипов сразу стала вполне современной космической конструкцией, в первую очередь в части примененных материалов. Основные секции телескопической конструкции изготовили из углепластика, который по жесткости и прочности близок к стали, а по удельному весу — легче алюминия. Выбор диктовался не только стремлением уменьшить вес космического крана и стоимость его подъема на орбиту. Таким путем значительно улучшали характеристики конструкции: возросла жесткость, а с ней — частота колебаний стрелы.

Отработать, как следует, и испытать 15–метровую стрелу также было непросто, а поднять ее над землей на Земле оказалось невозможно, так как моменты приводов тоже очень небольшие, ведь все рассчитано на невесомость. Пришлось применить опоры на воздушной подушке. На конце стрелы разместили макет 200–килограммового космонавта в скафандре с тонным полезным грузом в руках.

С тех пор много воды утекло. Уже перестал выходить хороший всесоюзный журнал «Грузоподъемные машины», нет самого Союза и многих его институтов. До сих пор летает на орбите станция «Мир» с космическим краном за бортом. За это время он перелопатил много космических грузов. Несколько экипажей воспользовалось возможностью полетать над космическим «Миром» на 15–метровой стреле. Будь жив наш первый генеральный В. Глушко, большой любитель космической статистики, он, наверное, подсчитал бы количество тонн космического груза и число человеко–часов, проведенных космонавтами–высотниками на грузовой стреле.

Если говорить вполне серьезно, то при помощи грузовой стрелы удалось выполнить несколько уникальных и много рутинных операций, хотя термин «рутинный» совершенно не подходит к условиям работы человека в открытом космическом пространстве. Используя космический кран, разгрузили несколько грузовиков «Прогресс», специально оборудованных для размещения снаружи габаритных грузов, которые перенесли и смонтировали на борту станции. Так, на «Мире» появилась ферма «Софора» с установленными на ней так называемым выносной двигательной установкой (ВДУ). Мне предстоит еще вернуться к рассказу о том, как использовалась грузовая стрела в мае–июне 1995 года, когда, с опозданием на несколько лет, очередь дошла до тех операций, ради которых мы ее спроектировали.

Забегая вперед, здесь надо сказать, что без космического крана мы могли полностью не выполнить программу полета орбитального комплекса, могла не состояться стыковка российского «Мира» с американским Спейс Шаттлом.

В 1996 году на орбиту доставили вторую грузовую стрелу. Дело в том, что одна стрела могла обслуживать лишь полусферу космического пространства открытого типа. Таким образом, удалось обслужить лишь половину «Мира». На второй половине находились еще две батареи МСБ, одна старая, к этому времени полусложенная (чтобы не мешать причаливать Спейс Шаттлу), вторая новая, как раз доставленная вторым «Шаттлом» осенью 1995 года.

Наш космический кран очень понравился коллегам из НАСА и не очень — европейцам из ЕКА. Американцы даже собирались заказать нам такую же конструкцию для международной космической станции (МКС). На это у них, похоже, не хватило денег, и они спроектировали что?то похожее сами, правда, в укороченном варианте. К этому времени мы уже разработали новый модифицированный космический кран, стрела которого могла раздвигаться вращением третьей дополнительной ручки, а не посекционно, шаг за шагом, как старая. Я даже предложил автоматизировать этот процесс, например, как у суперсовременных авто, у которых телескопическая антенна выдвигается при включении радио. Однако, подумав, сам снял это предложение: грузовая стрела к этому времени конкурировала с европейским манипулятором ERA. Заботясь об обоих внуках, родном и приемном, я старался успокоить ближайших коллег, утверждая, что кран и манипулятор дополняют друг друга и даже могут помочь, как одна рука помогает другой.

Так что продолжение следует.