пятница, 28 мая 2010 г.

Космические иллюминаторы

И еще одну статью хочу откопипастить. Я ее изначально прочитал в газете "Земля Нижегородская", но оригинал, оказывается, был напечатан в журнале "Российский космос". Пока ехал из деревни в город, просто зачитался. Статья рассказывает об истории создания иллюминаторов, популярно и доходчиво повествует о том, как они создаются у нас и у американцев, из чего состоят и где используются.




Автор: Сергей АНДРЕЕВ, СГАУ им. С. П. Королёва.
СТЕКЛЯННЫЙ ВЗГЛЯД КОСМОЛЕТОВ: ЗАЧЕМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТАМ ИЛЛЮМИНАТОРЫ?
Оригинал статьи и с картинками лежит вот тут.



При взгляде на космический аппарат обычно глаза разбегаются. В отличие от самолета или подводной лодки с предельно «зализанными» обводами, снаружи торчит масса всяких блоков, элементов конструкции, трубопроводов, кабелей... Но есть на борту и детали, понятные на первый взгляд любому. Вот иллюминаторы, например. Совсем как самолетные или морские! На самом деле, это далеко не так...

ПРОРУБАЕМ ОКНО ВО ВСЕЛЕННУЮ

С самого начала полетов в космос стоял вопрос: «А что же за бортом — хорошо бы увидеть!» То есть, конечно, определенные соображения на этот счет были — постарались астрономы и пионеры космонавтики, не говоря уж о писателях-фантастах. В романе Жюля Верна «С Земли на Луну» герои отправляются в лунную экспедицию в снаряде, снабженном стеклянными окнами с заслонками. Сквозь большие окна смотрят во Вселенную герои Циолковского и Уэллса.

Космический аппарат типа Зенит перед стыковкой с ракетой-носителем. Иллюминаторы перед объективами фотокамер прикрыты крышками (фото: РКК Энергия)Когда дело дошло до практики, простое слово «окно» показалось разработчикам космической техники неприемлемым. Поэтому то, через что космонавты могут посмотреть из корабля наружу, зовется, ни много ни мало, спецостеклением, а менее «парадно» — иллюминаторами. Причем иллюминатор собственно для людей — это иллюминатор визуальный, а для некой аппаратуры — оптический.

Иллюминаторы являются одновременно и конструктивным элементом оболочки космического аппарата, и оптическим устройством. С одной стороны, они служат для защиты приборов и экипажа, находящихся внутри отсека, от воздействия внешней среды, с другой же — должны обеспечивать возможность работы различной оптической аппаратуры и визуальное наблюдение. Не только, впрочем, наблюдение — когда по обе стороны океана рисовали технику для «звездных войн», через иллюминаторы боевых кораблей собирались и прицеливаться.

Американцев и вообще англоязычных ракетчиков, термин «иллюминатор» ставит в тупик. Переспрашивают: «Это окна, что ли?» В английском языке все просто — что в доме, что в «Шаттле» — window, и никаких проблем. А вот английские моряки говорят porthole. Так что российские космические окностроители, наверное, ближе по духу заокеанским корабелам.

Карен Найберг у окошка прибывшего к МКС японского модуля Kibo, 2008 г. (фото: NASA)На космических аппаратах наблюдения можно встретить два типа иллюминаторов. Первый тип полностью отделяет находящуюся в гермоотсеке съемочную аппаратуру (объектив, кассетную часть, приемники изображения и другие функциональные элементы) от «враждебной» внешней среды. По такой схеме построены космические аппараты типа «Зенит». Второй тип иллюминаторов отделяет кассетную часть, приемники изображения и другие элементы от внешней среды, при этом объектив находится в негерметичном отсеке, то есть в вакууме. Такая схема применена на космических аппаратах типа «Янтарь». При подобной схеме требования к оптическим свойствам иллюминатора становятся особенно жесткими, поскольку иллюминатор теперь является составной частью оптической системы съемочной аппаратуры, а не простым «окном в космос».

Считалось, что космонавт сможет управлять кораблем, исходя из того, что ему видно. В известной мере это удалось осуществить. В особенности важно «смотреть вперед» при стыковке и при посадке на Луну — там американские астронавты не раз задействовали при посадках ручное управление.

Край иллюминатора Востока виден за шлемом космонавтаУ большинства космонавтов психологическое представление о верхе и низе формируется в зависимости от окружающей обстановки, и в этом тоже могут помочь иллюминаторы. Наконец, иллюминаторы, как и окна на Земле, служат для освещения отсеков при полете над освещенной стороной Земли, Луны или дальних планет.

Как и у любого оптического прибора, у корабельного иллюминатора есть фокусное расстояние (от полукилометра до полусотни) и много других специфических оптических параметров.

НАШИ СТЕКОЛЬЩИКИ - ЛУЧШИЕ В МИРЕ

При создании в нашей стране первых космических кораблей разработка иллюминаторов была поручена НИИ авиационного стекла Минавиапрома (теперь это ОАО «НИИ технического стекла»). В создании «окон во Вселенную» принимали также участие Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова, НИИ резинотехнической промышленности, Красногорский механический завод и ряд других предприятий и организаций. Большой вклад в варку стекол различных марок, изготовление иллюминаторов и уникальных длиннофокусных объективов с большой апертурой внес подмосковный Лыткаринский завод оптического стекла.

Иллюминатор на люке командного модуля корабля АполлонЗадача оказалась крайне сложной. Еще производство самолетных фонарей осваивали в свое время долго и трудно — стекло быстро теряло прозрачность, покрывалось трещинами. Помимо обеспечения прозрачности, отечественная война заставила разработать бронестекла, после войны рост скоростей реактивной авиации привел не только к возрастанию требований к прочности, но и к необходимости сохранения свойств остекления при аэродинамическом нагреве. Для космических же проектов стекло, которое применялось для фонарей и иллюминаторов самолетов, не годилось — не те температуры и нагрузки.

Первые космические иллюминаторы были разработаны в нашей стране на основании Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР №569-264 от 22 мая 1959 г., предусматривавшего начало подготовки к пилотируемым полетам. И в СССР, и в США первые иллюминаторы были круглыми — таких было проще рассчитать и изготовить. Кроме того, отечественные корабли, как правило, могли управляться без участия человека, и соответственно не было необходимости в слишком хорошем обзоре «по самолетному». Гагаринский «Восток» имел два иллюминатора. Один размещался на входном люке спускаемого аппарата, чуть выше головы космонавта, другой — у его ног в корпусе спускаемого аппарата. Совсем не лишне вспомнить по именам основных разработчиков первых иллюминаторов в НИИ авиационного стекла — это С. М. Бреховских, В.И. Александров, Х. Е. Серебрянникова, Ю. И. Нечаев, Л. А. Калашникова, Ф. Т. Воробьёв, Е. Ф. Постольская, Л. В. Король, B. П. Колганков, Е. И. Цветков, C. В. Волчанов, В. И. Красин, Е. Г. Логинова и другие.

Вирджил Гриссом и капсула корабля liberty bell. Виден иллюминатор-трапеция (фото: NASA)Вследствие многих причин при создании своих первых космических кораблей наши американские коллеги испытывали серьезный «дефицит масс». Поэтому уровень автоматизации управления кораблем, подобный советскому, они просто не могли себе позволить даже с учетом более легкой электроники, и многие функции по управлению кораблем замыкались на опытных летчиках-испытателях, отобранных в первый отряд космонавтов. При этом в изначальной версии первого американского корабля «Меркурий» (того, про который говорили, что астронавт не входит в него, а надевает его на себя), пилотский иллюминатор вообще предусмотрен не был — даже потребные 10 кг дополнительной массы взять было неоткуда.

Иллюминатор появился лишь по настоятельной просьбе самих астронавтов уже после первого полета Шепарда. Настоящий, полноценный «пилотский» иллюминатор появился лишь на «Джемини» — на посадочном люке экипажа. Зато его сделали не круглым, а сложной трапецеидальной формы, поскольку для полноценного ручного управления при стыковке пилоту требовался обзор вперед; на «Союзе», кстати говоря, для этой цели на иллюминатор спускаемого аппарата был установлен перископ. Разработкой иллюминаторов у американцев занималась фирма Corning, за покрытия на стеклах отвечало подразделение фирмы JDSU.

На командном модуле лунного «Аполлона» один из пяти иллюминаторов тоже поставили на люке. Два других, обеспечивающих сближение при стыковке с лунным модулем, смотрели вперед, а еще два «боковых» позволяли бросить взгляд перпендикулярно продольной оси корабля. На «Союзах» было обычно по три иллюминатора на спускаемом аппарате и до пяти — на бытовом отсеке. Больше всего иллюминаторов на орбитальных станциях — до нескольких десятков, разных форм и размеров.

Носовое остекление кабины Спейс ШаттлаВажным этапом в «окностроении» стало создание остекления для космических самолетов — «Спейс Шаттла» и «Бурана». «Челноки» сажают по-самолетному, а значит, пилоту необходимо обеспечить хороший обзор из кабины. Поэтому и американские, и отечественные разработчики предусмотрели по шесть больших иллюминаторов сложной формы. Плюс по паре в крыше кабины — это уже для обеспечения стыковки. Плюс окна в задней части кабины — для операций с полезным грузом. И наконец, по иллюминатору на входном люке.

На динамических участках полета на передние иллюминаторы «Шаттла» или «Бурана» действуют совсем другие нагрузки, отличные от тех, которым подвержены иллюминаторы обычных спускаемых аппаратов. Поэтому и расчет на прочность здесь другой. А когда «челнок» уже на орбите, иллюминаторов оказывается «слишком много» — кабина перегревается, экипаж получает лишний «ультрафиолет». Поэтому во время орбитального полета часть иллюминаторов в кабине «Шаттла» закрывают кевларовыми заслонками-ставнями. А вот у «Бурана» внутри иллюминаторов имелся фотохромный слой, который темнел при действии ультрафиолетового излучения и «лишнего» в кабину не пропускал.

РАМЫ, СТАВНИ, ШПИНГАЛЕТ, ФОРТОЧКИ РЕЗНЫЕ...

Основная часть иллюминатора — это, конечно, стекла. «Для космоса» используется не обычное стекло, а кварцевое. Во времена «Востока» выбор был не особо велик — доступны были лишь марки СК и КВ (последняя — не что иное, как плавленый кварц). Позже создали и испытали много других разновидностей стекла (КВ10С, К-108). Пробовали даже использовать в космосе оргстекло марки СО-120. У американцев же известна марка термо- и ударопрочного стекла Vycor.

Жюли Пайетт управляет манипулятором Индевора у потолочного иллюминатора корабля (фото: NASA)Для иллюминаторов применяются стекла разных размеров — от 80 мм до без малого полуметра (490 мм), а недавно на орбите появилось и восьмисотмиллиметровое «стеклышко». О внешней защите «космических окон» речь впереди, а вот для защиты членов экипажа от вредного воздействия ближнего ультрафиолетового излучения на стекла иллюминаторов, работающих с нестационарно установленными приборами, наносят специальные светоделительные покрытия.

Иллюминатор — это не только стекла. Чтобы получить прочную и функциональную конструкцию, несколько стекол вставляют в обойму, выполненную из алюминиевого или титанового сплава. Для иллюминаторов «Шаттла» использовали даже литиевый.

Для обеспечения требуемого уровня надежности стекол в иллюминаторе изначально стали делать несколько. В случае чего одно стекло разрушится, а остальные останутся, сохраняя корабль герметичным. Отечественные иллюминаторы на «Союзах» и «Востоках» имели по три стекла (на «Союзе» есть один двухстекольный, но он большую часть полета прикрыт перископом).

На «Аполлоне» и «Спейс Шаттле» «окна» в основном также трехстекольные, а вот «Меркурий» — свою «первую ласточку» — американцы оснастили аж четырехстекольным иллюминатором.

Двухстекольный иллюминатор (вверху), трехстекольный иллюминатор космического корабля семейства Союз (внизу) (фото: Сергея Андреева)В отличие от советских американский иллюминатор на командном модуле «Аполлона» не представлял собой единую сборку. Одно стекло работало в составе оболочки несущей теплозащитной поверхности, а два других (по сути, двухстекольный иллюминатор) уже входили в состав гермоконтура. В результате такие иллюминаторы были больше визуальными, чем оптическими. Собственно, с учетом ключевой роли пилотов в управлении «Аполлонами», такое решение выглядело вполне логично.

На лунной кабине «Аполлонов» все три иллюминатора сами по себе были одностекольные, однако с внешней стороны их прикрывало внешнее стекло, не входящее в гермоконтур, а изнутри — внутреннее предохранительное оргстекло. Еще одностекольные иллюминаторы устанавливались впоследствии на орбитальных станциях, где нагрузки все же меньше, чем у спускаемых аппаратов космических кораблей. А на некоторых космических аппаратах, например, на советских межпланетных станциях «Марс» начала 70-х годов, в одной обойме были объединены фактически несколько иллюминаторов (двухстекольных композиций).

Когда космический аппарат находится на орбите, перепад температур на его поверхности может составлять пару сотен градусов. Коэффициенты расширения у стекла и металла, естественно, разные. Так что между стеклом и металлом обоймы ставят уплотнения. У нас в стране ими занимался НИИ резинотехнической промышленности. В конструкции используется вакуумостойкая резина. Разработка таких уплотнений — сложная задача: резина — полимер, а космическое излучение со временем «рубит» полимерные молекулы на куски, и в итоге «обычная» резина просто расползается.

При ближайшем рассмотрении выясняется, что по конструкции отечественные и американские «окна» существенно друг от друга отличаются. Практически все стекла в отечественных конструкциях имеют форму цилиндра (естественно, за исключением остекления крылатых аппаратов типа «Бурана» или «Спирали»). Соответственно, у цилиндра имеется боковая поверхность, которую нужно специально обрабатывать, чтобы свести к минимуму блики. Отражающие поверхности внутри иллюминатора для этого покрывают специальной эмалью, а боковые стенки камер иногда даже обклеивают полубархатом. Уплотняется стекло тремя резиновыми кольцами (как их сначала называли — уплотнительными резинками).

У стекол американских кораблей «Аполлон» боковые поверхности были закруглены, и на них, как покрышка на колесный диску автомобиля, было натянуто резиновое уплотнение.

Первый человек на Луне Нейл Армстронг в лунном модуле Орел (фото: NASA)Стекла внутри иллюминатора протереть тряпочкой во время полета уже не получится, а потому никакой мусор в камеру (межстекольное пространство) попадать категорически не должен. Кроме того, стекла не должны ни запотевать, ни замерзать. Поэтому перед стартом у космического корабля заправляют не только баки, но и иллюминаторы — камеру заполняют особо чистым сухим азотом или сухим воздухом. Чтобы «разгрузить» собственно стекла, давление в камере предусматривается вдвое меньшим, чем в герметичном отсеке. Наконец, желательно, чтобы с внутренней стороны поверхность стенок отсека не была слишком горячей или слишком холодной. Для этого иногда устанавливают внутренний экран из оргстекла.

СВЕТ НА ИНДИИ СОШЕЛСЯ КЛИНОМ. ЛИНЗА ПОЛУЧИЛАСЬ ЧТО НАДО!

Стекло — не металл, разрушается оно по-другому. Никаких вмятин здесь не будет — появится трещина. Прочность стекла зависит, главным образом, от состояния его поверхности. Поэтому его упрочняют, устраняя поверхностные дефекты — микротрещины, посечки, царапины. Для этого стекло травят, закаливают. Однако со стеклами, используемыми в оптических приборах, так обращаться не принято. Их поверхность упрочняется при так называемом глубоком шлифовании. К началу 70-х годов внешние стекла оптических иллюминаторов научились упрочнять ионным обменом, что позволило увеличить их абразивную стойкость.

Один из иллюминаторов спускаемого аппарата Cоюза большую часть полета прикрыт перископомДля улучшения светопропускания стекла просветляются многослойным просветляющим покрытием. В их состав могут входить окись олова или индия. Такие покрытия увеличивают светопропускание на 10-12%, а наносятся они методом реактивного катодного распыления. Кроме того, окись индия хорошо поглощает нейтроны, что нелишне, например, во время пилотируемого межпланетного полета. Индий вообще «философский камень» стеклянной, да и не только стеклянной, промышленности. Зеркала с индиевым покрытием отражают большую часть спектра одинаково. В трущихся узлах индий существенно улучшает стойкость к истиранию.

В полете иллюминаторы могут загрязняться и с наружной стороны. Уже после начала полетов по программе «Джемини» астронавты заметили, что на стекла оседают испарения из теплозащитного покрытия. Космические аппараты в полете вообще приобретают так называемую сопутствующую атмосферу. Что-то утекает из гермотсеков, «висят» рядом с кораблем мелкие частички экранно-вакуумной теплоизоляции, тут же — продукты сгорания компонентов топлива при работе двигателей ориентации... В общем, мусора и грязи оказывается более чем достаточно, чтобы не только «испортить вид», но и, например, нарушить работу бортовой фотоаппаратуры.

(фото: ESA)Разработчики межпланетных космических станций из НПО им. C.А.Лавочкина рассказывают, что при полете космического аппарата к одной из комет в ее составе было обнаружены две «головы» - ядра. Это было признано важным научным открытием. Потом выяснилось, что вторая «голова» появилась вследствие запотевания иллюминатора, приведшего к эффекту оптической призмы.

Стекла иллюминаторов не должны изменять светопропускания при воздействии на них ионизирующего излучения от фоновой космической радиации и космических излучений, в том числе — в результате вспышек на Солнце. Взаимодействие электромагнитных излучений Солнца и космических лучей со стеклом — вообще явление сложное. Поглощение излучения стеклом может привести к образованию так называемых «центров окраски», то есть к уменьшению исходного светопропускания, а также вызвать люминесценцию, поскольку часть поглощенной энергии может немедленно выделиться в виде световых квантов. Люминесценция стекла создает дополнительный фон, что понижает контрастность изображения, увеличивает отношение шума к сигналу и может сделать невозможным нормальное функционирование аппаратуры. Поэтому стекла, применяемые в оптических иллюминаторах, должны обладать, наряду с высокой радиационно-оптической устойчивостью, низким уровнем люминесценции. Величина интенсивности люминесценции не менее важна для оптических стекол, работающих под воздействием излучений, чем устойчивость к окрашиванию.

Иллюминатор советского космического корабля Зонд-8 (фото: Сергея Андреева)Среди факторов космического полета одним из наиболее опасных для иллюминаторов является микрометеорное воздействие. Оно приводит к быстрому падению прочности стекла. Ухудшаются и его оптические характеристики. Уже после первого года полета на внешних поверхностях долговременных орбитальных станций обнаруживаются кратеры и царапины, достигающие полутора миллиметров. Если большую часть поверхности можно заэкранировать от метеорных и техногенных частиц, то иллюминаторы так не защитишь. В определенной степени спасают бленды, устанавливаемые иногда на иллюминаторы, через которые работают, например, бортовые фотоаппараты. На первой американской орбитальной станции «Скайлэб» предполагалось, что иллюминаторы будут отчасти экранироваться элементами конструкции. Но, конечно, наиболее радикальное и надежное решение — прикрыть снаружи иллюминаторы «орбитального » управляемыми крышками. Такое решение было применено, в частности, на советской орбитальной станции второго поколения «Салют-7».

«Мусора» на орбите становится все больше и больше. В одном из полетов «Шаттла» нечто явно техногенное оставило на одном из иллюминаторов довольно заметную выбоину-кратер. Стекло выдержало, но кто знает, что может прилететь в следующий раз?.. Это, кстати, одна из причин серьезной озабоченности «космической общественности» проблемами космического мусора. В нашей стране проблемами микрометеоритного воздействия на элементы конструкции космических аппаратов, в том числе и на иллюминаторы, активно занимается, в частности, профессор Самарского государственного аэрокосмического университета Л.Г.Лукашев.

Валерий Поляков встречает идущий на стыковку с Миром Дискавери. Хорошо видна откинутая крышка иллюминатораВ еще более тяжелых условиях работают иллюминаторы спускаемых аппаратов. При спуске в атмосфере они оказываются в облаке высокотемпературной плазмы. Кроме давления изнутри отсека на иллюминатор при спуске действует внешнее давление. А потом следует приземление — часто на снег, иногда в воду. При этом стекло резко охлаждается. Поэтому здесь вопросам прочности уделяют особое внимание.

«Простота иллюминатора — это кажущееся явление. Некоторые оптики говорят, что создание плоского иллюминатора — задача более сложная, чем изготовление сферической линзы, поскольку построить механизм «точной бесконечности» существенно сложнее, чем механизм с конечным радиусом, то есть поверхности сферической. И тем не менее никогда никаких проблем с иллюминаторами не было», — наверное, это лучшая из оценок для узла космического корабля, особенно если она прозвучала из уст Георгия Фомина, в недавнем прошлом — первого заместителя Генерального конструктора ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс».

ВСЕ МЫ ПОД "КУПОЛОМ" У ЕВРОПЫ

Уже не так давно — 8 февраля 2010 года после полета «Шаттла» STS-130 — на Международной космической станции появился обзорный купол, состоящий из нескольких больших иллюминаторов четырехугольной формы и круглого восьмисотмиллиметрового иллюминатора.

Микрометеоритное повреждение на иллюминаторе Спейс Шаттла (фото: NASA)Модуль Cupola предназначен для наблюдений Земли и работы с манипулятором. Его разработал европейский концерн Thales Alenia Space, а строили итальянские машиностроители в Турине.

Таким образом, сегодня европейцы удерживают рекорд — таких больших иллюминаторов ни в США, ни в России на орбиту еще не выводили. Об огромных окнах говорят и разработчики различных «космических отелей» будущего, настаивая на их особой значимости для будущих космических туристов. Так что у «окностроения» большое будущее, а иллюминаторы продолжают оставаться одним из ключевых элементов пилотируемых и беспилотных космических кораблей.

"Вид обзорного модуля Cupola «Купол» — действительно классная штука! Когда из иллюминатора смотришь на Землю, это все равно, что через амбразуру. А в «куполе» на 360 градусов обзор, видно все! Земля отсюда выглядит как карта, да, больше всего это напоминает географическую карту. Видно, как солнце уходит, как встает, как ночь надвигается... Смотришь на всю эту красоту с каким-то замиранием внутри."
Из дневника космонавта Максима Сураева