Вы поворачиваете смартфон, и изображение на нем поворачивается, сохраняя нормальную ориентацию — ничего удивительного, мы видим это каждый день. Однако за этим простым фокусом стоит длинная история и он был бы невозможен без труда поколений ракетчиков и разработчиков космической техники: от Вернера фон Брауна и Роберта Годдарда до Сергея Королева и Бориса Чертока.
Фото: Фото Николай Мошков/ТАСС
Фото: Фото Альберта Пушкарева и Валентина Кузьмина/ТАСС
Фото: РИА НОВОСТИ
Фото: РИА НОВОСТИ
Фото: Reuters
Фото: ТАСС
Космическая эра изменила нашу повседневную жизнь, причем это касается не только прямой выгоды от использования космической техники. Множество технологий, которые мы используем сегодня,— от микропроцессоров до синтетических тканей, возможно, не появились бы совсем, если бы человечество не отправилось в космос.
Помимо очевидных задач — создания новых ракетных двигателей и топлива для них, новых прочных и легких материалов, необходимых для ракет,— конструкторам ракетной техники приходилось решать десятки других инженерных проблем, создавать сотни новых приборов, чтобы аппараты могли перенести экстремальные ускорения и вибрации во время старта, а затем жесткие условия открытого космоса. Эти многочисленные изобретения затем проникали в нашу обычную жизнь и меняли ее.
Попробуем рассказать о некоторых "незаметных" новшествах, которые появились именно в космической отрасли и стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.
Гироскопы
Германское "оружие возмездия" ракеты "Фау-2" оказались поразительно неэффективными в качестве оружия, однако в то же время были инженерным шедевром — фактически предком всех космических аппаратов. Для первых ракет "Фау-2" потребовалась система навигации, которая позволила бы системе управления ракеты понять, в каком положении находится снаряд и куда он летит. Так появились первые инерциальные навигационные системы.
Группа Вернера фон Брауна разработала простую систему навигации для ракет "Фау-2", состоявшую из двух гироскопов и акселерометра для измерения боковых ускорений. Вращающиеся гироскопы благодаря закону сохранения вращательного момента "запоминают" пространственную ориентацию своих осей вращения и реагируют на любые отклонения от нее. Измерения с гироскопов поступали в аналоговый компьютер, который преобразовывал их в управляющий сигнал для газовых и аэродинамических рулей.
Если американской армии достался сам фон Браун и десятки ракет "Фау-2", то в советской зоне оккупации оказалась только часть сотрудников фон Брауна. Николаю Пилюгину и Борису Чертоку понадобилось значительно больше усилий, однако и им удалось отыскать гиростабилизированную платформу, которая стала основой для системы навигации советской ракеты Р-1.
К сегодняшнему дню гироскопические приборы, создававшиеся первоначально для космических аппаратов и боевых ракет, насчитывают десятки разновидностей, основанных на вибрационных и волновых эффектах, есть также пьезоэлектрические и камертонные гироскопы. Появились и микромеханические устройства, которые можно разместить в телефоне.
Интегральные схемы
Сегодняшняя электроника немыслима без интегральных схем, где на одной плате находится до 1 млрд транзисторов, однако и они впервые использовались именно для космической техники.
Для ракет и космических аппаратов необходимо было не только быстро понимать свое положение в трехмерном пространстве, но и быстро вычислять траектории и моменты включения двигателей. Человек часто был здесь просто не способен быстро принимать решения. Необходимы были легкие, компактные и универсальные бортовые компьютеры.
Первые послевоенные компьютеры занимали целые комнаты, нельзя было и думать о том, чтобы использовать эти громоздкие сооружения для ракет или спутников. Спасением стали интегральные микросхемы — устройства, где на одной пластине соединяется несколько транзисторов.
Первые интегральные схемы, пригодные для коммерческого применения, были созданы в начале 1960 годов фирмой Fairchild Semiconductor, и первым компьютером, созданным на основе этих интегральных схем, стал бортовой компьютер "Аполлонов". Впоследствии выходцы из Fairchild основали компанию Intel, нынешнего гегемона мира микроэлектроники.
Благодаря космическим заказам новые микросхемы быстрее пошли в серию, отчасти благодаря этому появились первые программируемые микрокалькуляторы, микроэлектронные технологии стали доступны.
Советские пилотируемые корабли "Восток" обходились без бортовых компьютеров: их полетом управляло аналоговое программно-временное устройство — своего рода очень сложный таймер. Первой полноценной бортовой ЭВМ на советских космических аппаратах стала "Аргон-11С", которая управляла полетом и возвращением на Землю советских лунных кораблей "Зонд", которые в конце 1960-х годов в автоматическом режиме облетали Луну и возвращались на Землю.
Машины серии "Аргон" затем почти полвека работали на кораблях "Союз". Только в 2010 году впервые был запущен "цифровой" "Союз-ТМА-М", в котором аналоговая система передачи телеметрии заменена на цифровую, а вместо "Аргона" стоит более совершенная ЦВМ-101, созданная в зеленоградском НИИ "Субмикрон". Благодаря этой замене корабль удалось облегчить на 70 кг.
Солнечные и ядерные батареи
Космическая отрасль фактически стала родиной солнечной энергетики. На орбите Солнце — единственный источник энергии, поэтому первые солнечные элементы использовались именно на космических аппаратах.
Первым космическим аппаратом, на котором использовались солнечные элементы, был второй американский спутник Vanguard 1, запущенный в 1958 году.
Первые светодиоды на основе кремния были разработаны еще в середине 1950-х годов, однако стоимость электроэнергии, которую они вырабатывали, в сотни раз превышала стоимость электроэнергии от обычных источников. Солнечные элементы использовались почти исключительно в детских игрушках или, например, в пляжных радиоприемниках. Начало космической гонки фактически спасло эту отрасль. Отчасти это произошло благодаря усилиям одного человека — доктора Ханса Зиглера, который убедил американских военных оснастить спутник Vanguard не химическими батареями, а солнечными элементами. Он заявил, что аккумуляторы позволят спутнику продержаться лишь несколько дней, а на солнечной энергии он проработает годы — так впоследствии и оказалось: спутник функционировал шесть лет, до 1964 года.
Через два месяца после аппарата Vanguard в космос отправился советский "Спутник-3", на котором тоже стояли солнечные батареи, созданные на НПП "Квант" под руководством Николая Лидоренко . Эти батареи, правда, играли лишь вспомогательную роль: они давали электричество для радиомаяка, остальные системы питались от химических батарей.
Благодаря работам нобелевского лауреата Жореса Алферова, который придумал гетероструктурные полупроводники, советские специалисты создали солнечные батареи на базе арсенида галлия — они были с успехом применены на луноходах. Впоследствии солнечные батареи были использованы на орбитальных станциях "Салют", и сейчас без них на базе полупроводников не обходится ни один космический корабль.
Впрочем, солнечные батареи в космосе можно использовать не всегда: у дальних планет Солнечной системы, у Юпитера и дальше, солнечной энергии уже не хватает для поддержания "жизни" космических аппаратов — точнее, необходимая для этого площадь солнечных панелей становится непомерно большой.
Выходом стали радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), в которых тепло от распада радиоактивного материала преобразовывалось в электричество. Первый РИТЭГ полетел в космос в 1961 году на американском навигационном спутнике Transit 4A, а затем без них не обходилась ни одна дальняя межпланетная экспедиция. До сих пор радиоизотопные генераторы на плутонии поддерживают жизнь аппаратов "Вояджер", запущенных более 35 лет назад — за это время их мощность снизилась на 50%. В советской космонавтике РИТЭГ использовались меньше, хотя на "Луноходах" стояли радиоизотопные блоки обогрева, которые давали им возможность пережить двухнедельную лунную ночь.
Радиоизотопные генераторы стоят на аппарате "Кассини", работающем в системе Сатурна, на зонде "Новые горизонты", летящем к Сатурну. РИТЭГ обеспечивали энергией экспериментальные установки ASLEP, оставленные астронавтами "Аполлонов" на Луне. "Ядерная батарейка" обеспечивает энергией и марсоход Curiosity. Хотя на Марсе можно "прожить" и на солнечных батареях, что показала работа долгожителя — марсохода Opportunity, солнечные батареи все же деградируют под действием солнечной радиации, а кроме того, на них накапливается пыль, что быстро ведет к снижению производства электроэнергии.
Новые материалы
Доставка 1 кг груза на орбиту до сих пор стоит тысячи долларов. Поэтому с самого начала космической эры специалисты бились над тем, чтобы сократить массу космических аппаратов. Кроме того, космосу понадобились новые материалы, способные выдержать жесткие условия космического пространства, а также экстремально высокие температуры в камерах сгорания ракетных двигателей и при спуске корабля в атмосфере.
Множество новых материалов, разработанных для космоса, потом "пошли в народ". В их числе, например, такой материал, как "пена с памятью" (memory foam), разработанная по заказу НАСА для кресел астронавтов. Этот материал — пенополиуретан с открытыми порами — после деформации восстанавливает свою форму медленнее, чем другие типы полиуретана. Благодаря этому свойству матрасы из пены с памятью лучше поглощают энергию удара и меньше пережимают кровеносные сосуды. Теперь из этой пены делают защитные шлемы, госпитальные кровати, а также вполне повседневные подушки и матрасы.
Еще один пример материала, который был создан для космоса, но нашел широкое применение на Земле,— так называемые космические одеяла. Это пленка, покрытая тонким слоем алюминия, практически непрозрачная для инфракрасного излучения. Когда после запуска американская орбитальная станция "Скайлэб" потеряла часть своей теплоизоляции и постепенно начала выходить из строя из-за перегрева, именно такое одеяло спасло станцию, на создание которой ушли годы труда и миллионы долларов.
Сейчас "золотую фольгу" можно увидеть не только на космических аппаратах перед запуском, но и в районах стихийных бедствий и катастроф — спасатели используют термические одеяла для защиты пострадавших от теплопотерь.
Множество новых материалов было разработано для высшего достижения советской космической отрасли — многоразового корабля "Буран". В частности, для него была создана теплозащитная плитка, которая была способна выдерживать нагрев до 1650 градусов, и не однократно, а более 100 раз. Эта плитка была сделана из сверхтонких кремниевых волокон, а наиболее ответственные части — из углерод-углеродного материала "Гравимол".
Для космической отрасли были созданы десятки других технологий, которые затем вошли в нашу жизнь, например легкое дыхательное оборудование для пожарных, технология вакуумной сушки продуктов (предназначенная первоначально для космической пищи), искусственное питание для младенцев, система борьбы с обледенением авиалайнеров, инфракрасные ушные термометры, искусственные мускулы, которые теперь используются в протезах конечностей и многое другое.
Радиоэлектроника в космосе
Предприятия и КБ, сегодня входящие в КРЭТ, с самого начала космической эры участвовали в создании советских спутников и космических кораблей. В частности, петербургская компания "Техприбор" в 1960-е годы создавала технику для первого в истории корабля "Восток": приборы управления в кабине гагаринского корабля были созданы именно здесь. Впоследствии на "Техприборе" создавали наземную аппаратуру и кабели для космодромов, кораблей "Союз" и станции "Мир". В НИИ авиационного оборудования с 1960-х годов было разработано 23 тренажера для всех пилотируемых космических кораблей — от "Востока" до "Бурана" и "Союз-ТМА". Здесь же на основе центрифуги ЦФ-18 был создан единственный тренажер, который позволяет воспроизводить посадку на корабле "Союз-ТМА" со всеми перегрузками. Для новых "цифровых" кораблей "Союз-ТМА" в НИИ АО делают пульты управления "Нептун-МЭ". В ОКБ кабельной промышленности с 1970-х годов делают специальные кабели для многих космических аппаратов: луноходов, орбитальных станций "Салют", шаттла "Буран". Здесь создали кабели для выносных платформ с исследовательской аппаратурой для зондов "Вега-1", "Вега-2", исследовавших комету Галлея. Специалисты ОКБ разработали и специальный грузонесущий кабель, который "держал" космонавта Алексея Леонова во время его исторического выхода в открытый космос. На предприятиях концерна делают барометрические блоки для кораблей "Союз", которые срабатывают при посадке и вводят в действие парашюты, аппаратуру регулирования и контроля систем электропитания космических аппаратов, управления электроракетными двигателями, блоки автоматики литиево-ионных батарей, композитные теплозащитные материалы, датчики для контроля состояния ракетных двигателей, устройства для измерения уровня ракетного топлива в баках и многое другое.