Читать онлайн Научные эксперименты. За ответами в космос

© Яровитчук А.Г., 2025

© ООО «Издательство АСТ», 2025

Введение

Зачем нужна космонавтика? Этот вопрос все чаще и чаще начал звучать из уст жителей планеты Земля. Успехи – запуск первого спутника, первого космонавта, первый выход в открытый космос, первая посадка на Луну, Венеру, Марс – поражали воображение. Казалось, уже через пять, десять, в крайнем случае двадцать лет покорится вся Вселенная. Конструкторы, которые создавали корабль «Восток» и отправляли Юрия Гагарина на околоземную орбиту, были уверены, что к концу века на Марсе будут полноценные обитаемые базы, а на Луне – города. Причем это были мысли не фантастов, а людей, знающих все возможности современных для их времени технологий. Однако темпы освоения космоса замедлялись. Новых достижений становилось все меньше и меньше, а паузы между ними – все дольше и дольше. Средства массовой информации все реже и более буднично вещали о запусках спутников, ракет-носителей и даже о полетах космонавтов-героев. Зато в прессе все чаще звучали недовольные возгласы о стоимости космического прогресса и о том, что выделенные на «бесполезные рекорды» миллиарды могли бы помочь с земными проблемами. Действительно, масштаб цен рос соответственно масштабам новых целей. Совершить недельный пилотируемый полет на Луну, которая располагается в 380 тысячах километров, стоило 110 миллиардов долларов. Финансирование проекта «Аполлон» съедало около 2 % от годового бюджета США. А сколько будет стоить полет на Марс? Планета в лучшем случае в ближайшей точке окажется в 150 раз дальше, чем Луна, – 57 миллионов километров. Про другие миры и речи идти пока не может. Изначальные мечты о яблонях на Красной планете и об освоении других уголков Вселенной разбились вдребезги о реальность.

Тем не менее за последние 10 лет спутники по всему миру запускаются в среднем раз в три-четыре дня, а в 2023 году прошло 211 успешных стартов, почти каждый рабочий день. Если бы космос не окупал затрат, то вряд ли в него вкладывали бы столько денег.

Наша жизнь наполнена космическими технологиями не менее чем наполовину.

Да, многое из придуманного для исследования Вселенной, что вошло в быт, могло появиться и так, но именно мечта направляла полет фантазии инженеров и конструкторов. Новые подходы стимулировали думать нестандартно и выдвигать необычные идеи. Космос стал не только толчком, но и фильтром. Идеи воплощались в космических полетах и либо проявлялись во всей красоте своей гениальности, либо оказывались неудачными и уходили в безвестность. Своеобразная эволюция. В итоге лучшее возвращалось на Землю и перетекало в каждый дом.

Спутники, делающие наш быт удобнее и приятнее, – технология, которая использует пространство за пределами Земли для нужд Земли. Изнутри невозможно увидеть целостную картину. Сидя в пещере, мы видим только тени и силуэты внешнего мира. Появление спутников можно сравнить с выходом за пределы «пещеры», когда человек вне планеты Земля получил новые возможности, инструменты и знания. Практически все отрасли науки и техники совершили скачок благодаря спутникам и их работе на орбите.

Зачастую многое из того, что делают космические аппараты, напрямую не ощущается, но на деле они влияют на каждый наш шаг, причем как в прямом, так и в переносном смысле.

Неограниченные просторы Вселенной несут и неограниченный потенциал исследований. Ученые все больше стремятся познать тайны мироздания именно в космосе, там они могут по-другому взглянуть на привычные вещи и законы и открыть в них новые интересные качества. Изначально такие исследования имеют фундаментальный характер, но со временем находят практическое применение, а многие открытые в космосе явления уже используются в быту.

Космическая среда в целом и невесомость в частности позволяют делать вещи, которые запрещает земная гравитация. Правда, поскольку конвейерное производство в космосе пока не налажено, увидеть случайно на улице космическое изобретение не получится. Но в некоторых случаях ученые используют уникальные внеземные материалы и технологии.

Также космос повлиял и на культуру, причем речь идет не только о вдохновении для художников и поэтов. Благодаря ему смогли измениться сложившиеся у людей ценности, нормы, обычаи, верования, само мышление и деятельность, взаимодействие и коммуникация.

Условно активность человека в космосе можно разделить на проведение экспериментов, оперативную работу спутников и культурно-образовательную программу.

Эксперименты в свою очередь бывают технические, медико-биологические, материаловедческие, физико-химические и направленные на исследование Земли и космоса. Хотя эксперименты – это не всегда и не только получение положительного результата. Его отсутствие тоже важно для науки и технического прогресса, ведь сама суть эксперимента – проверить предположения ученых, а они бывают и ошибочными.

Когда исследования доказали свою нужность и эффективность, начинается оперативная работа на орбите. Эксперименты, призванные не получить новое представление, а предоставить последние данные о постоянно меняющихся процессах, выполняются как космонавтами, так и автоматическими аппаратами на орбите.

Искусственные спутники делятся на метеорологические, навигационные, разведывательные, экспериментальные, научно-исследовательские, спутники зондирования Земли, спутники связи и орбитальные телескопы.

Следует отметить и военную составляющую космических технологий. Ракеты и орбитальные космические аппараты изначально создавались как оружие или средство шпионажа. Нельзя отрицать, что покорение ближнего космоса изменило все представления о ведении войн. Значительная часть технологий имеет двойное – гражданское и военное – назначение. Однако данный аспект в этой книге в полной мере не будет отражен. Также на страницы не попадут исследования планет, звезд, галактик и далекого космоса.

Поиски других планет для колонизации, изучение опасностей, идущих от космических объектов, получение фундаментальных знаний об устройстве этого мира, оценка места человечества во Вселенной – все это, безусловно, важно, но не приносит немедленных дивидендов. Но все фундаментальные физические теории появлялись благодаря взгляду, обращенному в космос. Ярким примером является гравитация. Ньютон разработал теорию не из-за упавшего яблока, а благодаря систематическим наблюдениям за движением Луны и планет. После появления орбитальных телескопов в астрономии было сделано в несколько раз больше открытий, чем за всю историю этой науки. Но получить практическую пользу от новых знаний можно будет лишь через несколько десятков лет.

13 мая 1946 года вышло Постановление Совета министров СССР № 1017–419 «Вопросы реактивного вооружения». Это положило начало созданию отечественной ракетостроительной промышленности. Министерствам вооружения, сельскохозяйственного машиностроения, авиационной, судостроительной, химической промышленности и электропромышленности предписывалось создать научно-исследовательские институты и конструкторские бюро для проведения технических и инженерных изысканий с целью создания нового вида летательных аппаратов – ракет, в которых видели гораздо больший потенциал, чем в самолетах. Скорость выше, высота полета больше. Как и с авиацией, предполагалось, что ракеты могут быть боевыми, транспортными, пассажирскими и т. д. Однако в первую очередь правительство интересовало военное применение, и стратегической задачей было создание средств доставки боевых зарядов на огромные расстояния. Все исследования и побочные работы по этой теме получили самый высокий приоритет.

Уже это говорит, что космонавтика имела огромное значение для СССР, а количество задействованных министерств и организаций из самых разных отраслей позволяет представить, какая технологическая и научная мощь стояла за выполнением этой задачи.

Космические технологии

Основоположник теоретической космонавтики Константин Эдуардович Циолковский мечтал о полетах на орбиту. Он же показал, что для этого нужно. В первую очередь, зная, что в безвоздушном пространстве невозможно от чего-то оттолкнуться и не на что опереться, он предложил использовать реактивную тягу, а главное – произвел необходимые расчеты.

Существует сила, возникающая, если от одного тела быстро отлетают части, обладающие массой. Благодаря этому остальные части этого тела движутся в противоположном направлении. Это явление также можно вывести из двух законов Ньютона и закона сохранения импульса. Сила – это произведение массы тела на ускорение; сила действия равна силе противодействия; и, наконец, в замкнутой системе произведение массы на скорость сохраняется. То есть если от движущегося предмета оторвать кусок, предмет начнет двигаться быстрее. Ракета, или, как изначально выражался Циолковский, реактивный прибор, летит за счет топлива, которое отбрасывается с большой скоростью. Константин Эдуардович вывел формулу реактивного движения, названную его именем. Хотя ради исторической справедливости нужно отметить, что математическое описание тел переменной массы чуть раньше выполнил российский математик Иван Всеволодович Мещерский. Тем не менее Циолковский это сделал самостоятельно, другим способом и нашел применение своей формуле.

Хотя ракеты в виде фейерверков и снарядов, которые больше пугали, чем несли пользу, уже были известны давно, широкого применения не находили из-за того, что было непонятно, как контролировать процесс. Циолковский и Мещерский показали, что реактивную тягу можно использовать в разных видах транспорта, причем набирать скорости гораздо выше, чем у машин, самолетов и даже пуль. Даже биологи при изучении кальмаров и медуз пользовались их расчетами, чтобы глубже понять физиологию морских животных, что передвигаются таким необычным образом.

После ракет активно развивается реактивная авиация, реактивные машины ставят рекорды скорости, появляется целая серия катеров на реактивной тяге. Общая теория движения с переменной массой учитывается при проектировании конвейеров и различных типов транспортировки.

Второй вопрос, который рассмотрел Циолковский, – как добиться высокой скорости вылета топлива. Нужно было придумать способ быстрого выделения энергии, а ведь на тот момент ядерные и термоядерные процессы еще не были известны. Константин Эдуардович предложил использовать химические реакции, указав два варианта: первый – поджечь водород и кислород в жидком виде; второй – соединять углеводородное топливо, например бензин, с кислородом. Первые инженеры, которые взялись за реализацию идей Циолковского, сразу поняли, что есть и другие возможности, например твердые виды топлива: порох, динамит. А могут быть и пока еще не известные соединения! Так, в организации ГДЛ (газодинамическая лаборатория), основанной в 1921 году, начались первые эксперименты с взрывчатыми веществами, которые могли применяться в качестве топлива для ракет. В 1930 году к исследованиям присоединилась только что созданная группа изучения реактивного движения (ГИРД). В дальнейшем обе организации слились в одну под названием РНИИ (ракетный научно-исследовательский институт). Сотрудники много пробовали, взрывали, запускали. Был даже случай, когда гирдовцы провели эксперимент в подвале жилого дома, – прогремел мощный взрыв, но, к счастью, дом устоял и никто не пострадал. Тогда было открыто новое взрывчатое вещество, но применения ему не нашлось. Зато появилась интересная идея – создать гибридное топливо. В бензин добавлялась канифоль, которая приводила к сильному загустению горючего вещества, в итоге получился материал, напоминающий пластилин. Собственно, на этом топливе первая в СССР ракета под названием ГИРД‐09 поднялась в воздух.

В США аналогичные эксперименты начались с того, что три студента чуть не взорвали общежитие. Их энтузиазм перетек в создание новой лаборатории, позже ставшей знаменитой организацией NASA.

Одно было общим: поиск, синтез, создание новых эффективных видов топлива и взрывчатых веществ.

С твердыми видами материалов долго не складывалось. Контролировать горение не удавалось, но новые материалы можно было использовать как взрывчатку. Химики стали производить стабильные соединения, нашедшие применение в горных, строительных, демонтажных работах.

Тогда космические инженеры перешли к жидким видам топлива. Особый интерес вызывал спирт, но он должен был быть невероятно чистым, с меньшим содержанием воды, чем даже у медицинского спирта. Такой очень трудно создать, а его цена огромна. Химики стали искать новые, более эффективные и более дешевые способы перегонки и очищения, и это удалось. Спирт стал более доступным, а его применение – огромным. Это универсальное вещество нужно и в технике, и в медицине, и в энергетике, и в химическом производстве.

Но чтобы на орбиту полетели первый спутник, первое животное и первый человек, ракеты-носители использовали керосин.

Процесс перегонки нефти предполагает нагрев, в котором самые легкие фракции испаряются и улетают. Если пары собрать и охладить, получается бензин. Керосин тяжелее, и чтобы его получить, нужно нагревать сильнее, но вместе с полезной фракцией начинают испаряться примеси, например сера. Легкий бензин слишком быстро испаряется и слишком легко взрывается, чтобы его можно было использовать в ракетах. Керосин тяжелее и лучше подходит, но он был низкого качества. Новые методы глубокой гидроочистки позволили получить новые сорта керосина, применяемые не только в ракетно-космической области, но и в авиации. Метод очистки и отделения фракций стал применяться и для бензина.

Топливо, которое используется сейчас, еще тяжелее, плотнее и безопаснее, чем керосин. Хотя его получают при помощи той же перегонки, но со сверхглубокой очисткой. Его название – нафтил. Также для повышения качества химики разработали синтетический материал, который вообще не имеет негативных примесей. Это чистое топливо получило название синтин; оно также славится своей текучестью и смазочными свойствами. Правда, этот материал крайне дорогой в производстве и сейчас перестал использоваться. Но в будущем, возможно, будет найден более дешевый метод синтеза, который сможет изменить представление о топливной энергетике.

Пока для увеличения эффективности горючего разрабатывают присадки, которые потихоньку начинают использовать не только для покорения космоса, но и в производстве смазочных материалов.

У военных в 1960‐х годах появился новый запрос. Кислород, необходимый для химической реакции, нужно поддерживать в жидком виде, а значит – охлажденным до температуры порядка –180 °C. Долго оставлять окислитель в таком состоянии очень сложно, а сделать так, чтобы ракета стояла на боевом дежурстве несколько лет, невозможно.

Тогда началась разработка высококипящих компонентов топлива, итогом стало появление гидразина и похожего, но более эффективного гептила (несимметричный диметилгидразин). В качестве окислителя для гептила используется тетраксид азота. Компоненты долго хранятся, высокоэффективны, да еще и не надо ничего поджигать – реакция возникает непосредственно при контакте. Но есть огромный минус – вещество крайне токсично, и повсеместно его использовать нельзя, тем более в быту. Однако в фантастическом романе «Марсианин» (и его экранизации) был показан способ использования гептила. По сюжету произведения (внимание, спойлеры до следующего абзаца) американский астронавт по случайности остался в одиночестве на Марсе, где должен был выживать два года до прилета спасателей. Чтобы получить источник пропитания, он решил выращивать картофель, а проблему с поливом решил, зная, что при горении гептила выделяются азот, углекислый газ и вода.

Ракета-носитель, чтобы вернуться на Землю, использовала именно гептил, так как он должен был храниться два года (столько требовалось для полета на Марс и обратно). На самом деле, хотя из гептила действительно можно получить воду, нигде, кроме ракетной техники, гидразин и гептил не применяют.

Неожиданный поворот в истории ракетного топлива случился, когда возникла потребность в утилизации ядовитого вещества. Просто вылить его нельзя, будет экологическая катастрофа. Хранить в боевых ракетах просрочку тоже нельзя. В СССР был объявлен конкурс, и химики начали активно разрабатывать способы переработки гептила. Основные надежды возлагались на создание из ракетного топлива азотных удобрений, ведь их формулы действительно схожи. Так синтезировали некоторые виды полезных для растений веществ, но процесс оказался довольно дорогим, а эффективность незначительно превышала уже существующие образцы. Другое дело – медицинские препараты. Оказалось, что из гептила достаточно просто можно создать лекарственное средство для повышения тонуса и снижения утомляемости. Этот препарат получил известность под названием мельдоний. Его использовали не только как лекарство, но и как стимулятор для спортсменов, однако после многочисленных побед, в том числе на Олимпийских играх, было принято решение включить мельдоний в перечень препаратов, являющихся допингом. Посчитали, что лыжники и легкоатлеты так быстро бегают благодаря ракетному топливу.

Кроме этого, был разработан стимулятор репродуктивной функции птиц, основанный на триметилгидразиния пропионате. Его испытали на курах, и результаты показали увеличение яйценоскости на 8 %.

Также для гептила нашлось применение в создании ингибиторов коррозии и чистящих средств и в технологическом процессе создания полиуретанов.

Но для всех этих производств требуется не так много топлива. Поэтому основную проблему утилизации пришлось решать другим путем – нейтрализацией токсичных компонентов.

В СССР разрабатывались и другие виды топлива, например с использованием фтора и его соединений. Предложенные химические соединения оказались еще эффективнее, но и токсичнее. Был даже создан и испытан двигатель РД‐301 на жидком фторе и аммиаке, но из-за высокой токсичности инженеры были вынуждены от него отказаться. Сейчас набирают популярность метан и метановые ракеты. Куда приведут исследования в этих направлениях, мы увидим в ближайшем будущем.

Но вернемся к зарождению космонавтики. Первые космические инженеры крайне удивились тому факту, что за тысячелетия использования человечеством огня так и не родилась теория горения. Конечно, некоторые моменты были понятны, например, как поддерживать огонь, какие материалы горят. Сейчас кажется невероятным, что до XVIII века не было известно, что для реакции горения нужен кислород. Тем не менее на интуитивном уровне все работало, и даже достаточно сложные и опасные пороховые пушки заряжались «на глаз» и прекрасно стреляли.

Но с ракетными двигателями на интуицию рассчитывать было нельзя. Тем более подобные попытки имели место, но все они заканчивались взрывами и разрушениями. В СССР с появлением ГДЛ и ГИРДа ученые начали исследования процессов теплопереноса, распространения огня, детонации, концентрации газообразных смесей и распространения ударных волн. Дело в том, что для создания мощных ракетных двигателей на жидком топливе нужно было в первую очередь понять, как распределение компонентов и уровень смешивания влияет на выход энергии. Например, если поджечь горелку или масляную лампу, горение будет равномерным, так как кислород подходит постепенно. Но в случае утечки и насыщения горючего материала воздухом происходит взрыв. С твердым топливом все еще сложнее, так как сначала было совершенно непонятно, как контролировать горение. Многое зависит от формы заряда, плотности и даже рельефа. Любая трещинка может привести к неожиданным результатам.

В 1930‐х годах в СССР развитие получили все направления – горение и твердых материалов, и жидких, и газовых смесей. Правда, получив результаты по критериям и ограничениям пороховых зарядов, ученые натолкнулись на предел своих технологических возможностей и резко потеряли интерес к дальнейшим разработкам. В США продолжили исследования советских ученых, правда, для прорыва потребовалось 30 лет. Решение оказалось простым, но не очевидным – в заряде проделывалось сквозное отверстие в виде звездочки. Химическая реакция шла только внутри него. Размер подбирался такой, чтобы площадь поверхности отверстия не менялась со временем и горело всегда одинаковое количество взрывчатки. Форма звездочки позволяла стабилизировать скорость химической реакции даже при больших объемах заряда.

В СССР все силы были сконцентрированы на изучении процессов горения в жидких и газовых смесях. Особенно много открытий ученые сделали в области распространения звуковых волн, колебаний и их влияния на горение и детонацию. Звуковая волна – это колебания воздуха, при распространении звуковой волны в одном месте атомы расположены более плотно, в другом – менее, соответственно, в одной области горит сильнее, чем в другой. При этом само горение вызывает разлет газов, а отражение их от стенок корпуса двигателя – сжатие. Двигатели буквально создают звук, музыку колебания. Недаром в знаменитой песне есть слова «и снится нам не рокот космодрома».

Создание стройной теории далось нелегко. Горение в турбулентных потоках до сих пор остается нерешенной проблемой, и многие новые знания приходят из опытов на орбите в невесомости, о чем будет рассказано ниже.

Естественно, информация о пламени очень важна не только для ракет. 90 % энергии в мире добывается при сжигании ископаемого топлива. Однако такие эффекты наблюдаются лишь при очень активном горении, в повседневной практике люди с ними не сталкиваются. Тем не менее в мощных двигателях или печах их нужно учитывать. Помимо ракетных двигателей, специальные расчеты необходимы для турбореактивных авиационных двигателей. Были даже разработки особых детонационных двигателей. Для экономии и повышения безопасности тепловых электростанций начали использовать теорию горения во время проектировки оборудования. Кроме того, новые знания о горении открыли дополнительные возможности металлургии. Благодаря ударным волнам – области повышенного давления и температуры – стало возможно расплавлять самые тугоплавкие металлы. В последнее время к теории горения обращаются инженеры двигателей внутреннего сгорания, используя ее для повышения эффективности. Например, пламегасители и каталитические нейтрализаторы решают проблемы гашения вибрации и колебаний. Их разработали при испытаниях ракетных двигателей. Пламегаситель охлаждает выхлопные газы, замедляет их выход и снижает негативное воздействие на силовую установку. В автомобилях их часто используют как узел между глушителем и двигателем. Похожую работу выполняет каталитический нейтрализатор, который за счет химической реакции еще и поглощает опасные, отработанные двигателем газы.

Так как был взят курс на создание ракет на жидком топливе, требовались устройства для перекачки горючего и окислителя – насосы, турбины, компрессоры для распыления топлива – форсунки, сопла и смесители для двухкомпонентных двигателей.

Эти устройства были придуманы раньше, например для водопроводов, но ракетные инженеры создали новые системы и механизмы с лучшими свойствами, а также глубже проработали теорию движения жидкостей и газов.

Для эффективности двигателя нужно, чтобы горючее и окислитель смешивались равномерно внутри камеры сгорания. Первые двигатели в СССР оснащались различными типами форсунок, среди которых лучше всего себя показали центробежные. При движении по кругу жидкость образует слой, напоминающий тонкую пленку. При вылете поток встречает воздух и дробится на мелкие капли, которые равномерно распределяются в конусе. Шесть таких центробежных форсунок впервые установили на двигателе ОРМ‐65, и они занимали много места. В двигателе РД‐107 для ракеты-носителя Р‐7, на которой летал Юрий Гагарин, было 920 форсунок, но меньшего размера и куда более легких. Они используются для эффективного сжигания жидкого топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей электростанций, в турбореактивных двигателях самолетов, иногда в двигателях внутреннего сгорания. Кроме этого, форсунки применяются в огнетушителях и системах распыления воды – в увлажнителях, разбрызгивателях и т. д. Насколько важна эта деталь для космонавтики, видно уже по тому, что одну из модификаций ракеты-носителя «Союз» – «Союз-ФГ» – назвали так именно благодаря форсуночной головке.

Двигатель ОРМ‐65 в разрезе и двигатель РД‐107

После форсунок большой проблемой для инженеров стало изготовление турбин, вернее, лопаток, что выдерживали бы огромное давление. С проблемой столкнулся еще первый изобретатель этого механизма – Густав Лаваль – в 1883 году. Турбина – это механизм, который приводится в движение при помощи потока газа или жидкости между лопатками; они раскручиваются и передают вращение валу, и внутренняя энергия топлива или потока переходит в энергию движения. Лопатки должны быть не только прочными, но и абсолютно точно выверенными. Космические инженеры смогли разработать технологию отливки и добиться высокой эффективности, а турбины также стали применяться на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях и как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте.

Лаваль для повышения качества своей турбины использовал специальный расширитель – сопло. Сейчас же, когда речь заходит о реактивных двигателях, сразу появляется именно образ сначала сужающейся, а потом расширяющейся трубы – сопла. Лаваль не обладал современными знаниями, он создал сопло такой формы исходя из эмпирических соображений. Ученые при проектировании ракетных двигателей опробовали разные формы расширителей, нужных для увеличения скорости потока. В камере сгорания атомы горючего теснятся, а потом – при расширении – высвобождаются и ускоряются, а давление снижается. Это происходит с любыми жидкостями. Сопло Лаваля оказалось наиболее эффективным для реактивных двигателей, где скорости выше скорости звука, а также для пескоструйных машин и плазменных резаков. Другие типы сопел стали применяться в распылителях краски и струйных системах водяной очистки.

Параллельно с разработкой двигателя встал и еще один фундаментальный вопрос: управление. Контролировать движение вручную невозможно – человек не такой быстрый. Инженеры обратились к гироскопам – это вращающиеся диски наподобие юлы. Гироскопы всегда сохраняют свое положение в пространстве после того, как их раскрутили, это гарантирует закон сохранения момента импульса. Если бы внутри ракеты находился такой прибор, можно было бы мгновенно понять, в какую сторону повернула ракета – появился бы угол между корпусом и гироскопом, и этот угол был бы равен углу поворота.

В 1920–1930‐е годы подобные приборы требовались практически везде – в лодках, чтобы следить за качкой, в автопилотах самолетов, в различном оружии. Инженеры-гироскописты были нарасхват. Среди факторов, что подстегивали исследования в этой области, космос был даже не на первом месте. Но именно ракетные полеты поставили новые и необычные задачи. Гироскопы должны были стать легче, надежнее, точнее, должны были фиксировать повороты во все стороны. Чтобы оценить важность и сложность задачи, представьте, что в знаменитом Совете Главных (шестерке конструкторов – отцов космонавтики) сразу двое, Николай Пилюгин и Виктор Кузнецов, отвечали за гироскопические приборы. Их труды имели огромное значение – новые системы и математические теории позволили создать высокоточную систему управления. Исследования не прекращаются и сейчас. Появились новые, именно космические гироскопы: трехстепенные, способные фиксировать повороты в трех плоскостях; и поплавковые, погруженные в вязкую жидкость, что позволяет снизить негативное влияние давления, трения, перепада температур и повысить надежность.

Гироскоп для ракеты-носителя

В 1990‐х годах появляются лазерные гироскопы, которые могут с помощью луча света определять поворот на сотни долей угловой секунды. При этом прибор помещается в ладони.

В 2000‐х годах появляются пьезогироскопы и микроэлектронные гироскопы в смартфоне. За поворот экрана и работу многих приложений отвечают именно они. Очень популярные сейчас квадрокоптеры без гироскопа не летают в принципе – аппарат сразу кренится, разворачивается и в итоге разбивается. Электроскутеры используют гироскопы еще и как элемент управления. Строительные краны и дорожно-укладочные механизмы тоже должны знать, как наклонились их рабочие элементы. В роботах может быть до сотни гироскопов, ведь каждой металлической руке или ноге, а также шее, спине, голове нужно передавать информацию о положении. Вы видели роботов-собак, которых толкают и пинают, а они твердо стоят? По сути, любое механическое или электронное устройство, способное поворачиваться или вращаться, имеет внутри гироскоп.

Автоматической системе управления требуется не только знать, как повернулся космический аппарат, но и рассчитать, как нужно вращаться. Однако если вычислять углы классическими тригонометрическими формулами из средней школы, могут возникнуть ошибки. Например, известная задача про охотника, который прошел на юг, на запад и на север одно расстояние и оказался в стартовой точке. Это возможно только на полюсе. Также при нескольких оборотах вокруг разных осей может потеряться 180° или число Пи. Кроме того, у гироскопов есть физическая проблема – так называемое складывание рамок. Спутник может так повернуться вокруг одной оси, что остальные оси совпадут, и из-за этого потеряется возможность верной ориентации.

Для решения этой проблемы в космонавтике математики начали использовать особые числа – кватернионы. Их придумали еще в XVIII веке, но тогда кватернионы не получили применения и обсуждались математиками как нечто абстрактное. Это гиперкомплексные числа, которые записываются как q = a + bi + cj + dk, где a, b, c, d – вещественные числа, а i, j, k – мнимые единицы, то есть числа, чьи квадраты равны минус единице (i² = –1, j² = –1, k² = –1). При возведении одного из компонентов i, j, k в квадрат получится вещественная часть. Но при перемножении двух разных, например i и j, это не получится. По сути, кватернионы – это числа в трехмерном пространстве, где каждому пространству соответствует по мнимой компоненте.

В 1970–1980‐х годах, когда космические аппараты стали обращаться вокруг Земли и вращаться вокруг своей оси годами, математики приступили к исследованиям свойств этих чисел с удвоенной силой, чтобы программировать с их помощью системы управления. Благодаря этому стало проще оперировать вращением пространства или вращением космического аппарата в пространстве.

После того как кватернионы хорошо зарекомендовали себя в космических расчетах, их начали использовать в компьютерных 3D-играх, где тоже можно вращаться во все стороны.

Кстати, вычислительные системы небольшого размера – тоже заслуга космонавтики. В 1950‐х годах компьютеры были огромны. Они занимали целые здания и никак не могли поместиться в ракету-носитель. А количество вычислений, которые нужно было проделать мгновенно, пока космический аппарат летит со скоростью 8 км/с, было велико. Человек не смог бы оперативно все рассчитать, и на помощь пришла радиосвязь. Задачи поступали с ракеты-носителя на Землю, обрабатывались ЭВМ, и решение отправлялось на борт.

«Стрела» – первый наземный компьютер, работавший над космическими расчетами. Он умел рассчитывать 100 операций в секунду и имел оперативную память два килобайта. В дальнейшем появились машины второго поколения – «Урал‐1» и БЭСМ, которую ласково называли бэсмочкой. Их оперативная память составляла 32 килобайта, а производительность – 20 000 операций в секунду. Такой рывок, несомненно, стимулировала именно космическая необходимость. В США компания IBM уже давно работала над производительностью компьютеров, но у NASA они появились позднее, зато сразу второго поколения. IBM 7090 выполняла до 100 000 операций в секунду.

Наземные системы продолжали улучшаться. Вместо ламп появлялись транзисторы, а за ними – интегральные схемы и микропроцессоры. Память прошла долгий путь от магнитной проволоки через ленту к ферритным элементам, жестким дискам и т. д. Примерами могут послужить советский компьютер «Орбита», ЕС ЭВМ, М‐20 и американский IBM System/360. Совершенствование продолжается и сейчас, но уже отлично видно, как далеко шагнул прогресс. Характеристики первых компьютеров скромны даже для современных часов.

А в 1950‐х годах такого не было. Приходилось выкручиваться. Для случаев отсутствия связи инженеры разрабатывали оригинальные аналоговые системы. Например, для расчета пройденного расстояния использовалась химическая реакция электролиза – в зависимости от скорости движения увеличивалась подача тока в прибор и менялась скорость химической реакции. Через каждый преодоленный километр в приборе образовывался грамм вещества, и по его количеству определялась дистанция.

Однако хитрости, уловки и наземные компьютеры не помогут, если мы летим на Луну или дальше. Задержка связи между Землей и ее спутником составляет 1,2 секунды, за которые ракета может пролететь от одного до восьми километров. Ошибки непозволительны. Математическое описание движения, когда на космический аппарат действуют и Земля, и Луна, слишком сложно для схожего аналогового варианта. Первыми были попытки рассчитать по долям секунды весь процесс полета и завести все команды на таймер. Более того, некоторые советские автоматические межпланетные станции полностью выполняли все задачи благодаря этому. Выверенность вычислений поражает воображение даже сейчас. Но чем сложнее были задачи, тем понятнее становилось, что компьютер надо брать с собой. Для полета человека на Луну и стали разрабатываться ЭВМ размером не со здание, а хотя бы со стол. И это получилось, но не сразу. В Советском Союзе планировалось запустить автоматическую станцию «Марс‐1960» с новой технологией уже в 1960 году, но не получилось (не по вине ЭВМ). Первый в СССР бортовой компьютер «Аргон 11С» был успешно испытан в программе «Зонд» в 1968 году. С его помощью, кстати, впервые облетели Луну и успешно вернулись животные – две черепашки.

В США инженеры придумывали гораздо меньше аналоговых приборов, и отчасти из-за этого были вторыми в космической гонке, но вот компьютер отправили на орбиту чуть раньше. GSC (Gemini SpaceCraft Computer) побывал в космосе уже в 1965 году. Характеристиками «Аргон 11С» и GSC были схожи: весили 26–34 килограммов и могли производить около 7000 операций в секунду, но памяти хватало только на 39 слов. Оба работали на интегральных схемах.

Через четыре года произошло историческое событие – американцы произвели высадку на Луну. Управлял полетом компьютер AGC (Apollo Guidance Computer). Эта система по производительности была на уровне наземных компьютеров конца 1950‐х. Памяти было по-прежнему мало, поэтому программистам пришлось потрудиться, чтобы придумать последовательности процедур, не отбирающих много памяти. Тем не менее известно как минимум восемь случаев, когда бортовой компьютер сбоил из-за переполнения. На одной знаменитой фотографии запечатлена распечатка всех необходимых инструкций на бумаге – это стопка кода выше человеческого роста.

Маргарет Гамильтон с распечатанным текстом программы для миссии «Аполлон‐11» © Draper Laboratory

Тогда же появляется и первый интерфейс. Система отображения больше похожа на калькулятор, но пока речь идет только о вычислениях. Еще через пять лет первые персональные компьютеры от той же компании, что делала космические системы, появляются в обычных домах.

В дальнейшем в США в пилотируемой космонавтике для программы Space Shuttle использовали компьютер IBM AP‐101S. В космос отправлялся большой космический челнок, и размер вычислительной машины уже не играл заметной роли. В 1988 году для проведения эксперимента впервые применили компьютер, конструкцию которого потом назовут ноутбуком.

Другое дело – межпланетные автоматические станции, например марсоходы, размером с тумбочку или ботинок. Для них был создан RAD600 – один миллион транзисторов в одной плате, больше 600 граммов массой. Такой компьютер уже влезет в мобильный телефон.

Тем временем в СССР разрабатывались новые версии «Аргонов». Правда, цель была не в уменьшении размеров, а в повышении надежности. «Аргон‐16» стал оптимальным вариантом, и его испытывали и использовали на кораблях «Союз», станциях «Салют» и первое время на станции «Мир». В 1990‐е его сменил «Салют‐5Б». Однако всемирную известность получила другая бортовая ЭВМ – для многоразового корабля «Буран» был разработан компьютер «Бисер‐5». Два мегабайта оперативной памяти и 350 000 операций в секунду позволили совершить полет в полностью автоматическом режиме. Более того, «Буран» при возвращении совершил незапланированный маневр, что инженеры на Земле сочли сбоем и даже начали обсуждать возможность подрыва аппарата, чтобы при падении он не вызвал разрушений. Но оказалось, что компьютер заметил боковой ветер и принял правильное решение развернуть «Буран» другим боком. Посадка произошла идеально. Автопилоты таких же характеристик появились только через 12 лет.

Космонавтика подстегнула развитие компьютерной техники. В 2013 году инженеры ради эксперимента взяли обычный смартфон из магазина, прикрепили к нему дополнительный аккумулятор, обмотали защитной пленкой от радиации и перепада температур и запустили в космос как самостоятельный спутник. Внутри было все необходимое не только для ведения полета, но и для научных исследований.

Вместе с компьютерами появились миллионы строк кода. Чаще всего речь идет о специализированных программах для конкретной ситуации, но бывали случаи использования наработок и в других отраслях. Один из таких примеров – язык программирования ДРАКОН. Название расшифровывается как дружелюбный русский алгоритмический язык, который обеспечивает наглядность. Сначала программисты создали три языка под разные цели: Диполь, Прол2 и Лакс, но потом было принято решение применить универсальный подход. ДРАКОН – язык – визуальный, то есть программы писать не нужно, их составляют из блок-схем или диаграмм. Такой подход оказался более удобным благодаря наглядности в каждой последовательности действий. Затем появились гибридные языки: Дракон-Java, Дракон-C, Дракон-Python и т. д. После снятия грифа секретности космический язык программирования стали применять для моделирования поведения или создания инструкций для специалистов в больших группах или при оперативных мероприятиях, например, алгоритмы скорой помощи, реанимации и т. д.

В 1964 году в США произошла похожая история. Инженеры запросили у программистов целую кучу программ для вычисления характеристик материалов: прочность, гибкость, ковкость, целостность и т. д. Поступило предложение создать один универсальный код, хотя задача оказалась очень сложной. Дело сдвинулось в 1968 году с появлением Space Shuttle, для которого требовалось множество расчетов. Получившаяся программа использовала метод численного моделирования и состояла из разных модулей, написанных на языке FORTRAN. Этот продукт очень понравился инженерам, и теперь он используется повсеместно, например при проектировании железнодорожных путей, автомобилей, мостов, электростанций, небоскребов, самолетов и многого другого. По оценкам, одна только эта программа позволила сэкономить более 700 миллионов долларов.

Также в США получила известность платформа облачных вычислений Nebula, разработанная NASA, чтобы предоставить своим инженерам дополнительные ресурсы для вычислений и памяти. В 2008 году космическое агентство стало первой организацией, предоставившей исходный код Nebula для общего пользования. Впоследствии облачные платформы приобрели огромную популярность.

Вместе с компьютерами для космоса разрабатывались роботы на замену человеку. По сути, все автоматические станции, спутники, межпланетные зонды, планетоходы – это роботы. Проводились эксперименты с отправлением на орбиту многофункциональных автоматов. Так, в 2019 году на МКС отправился антропоморфный (похожий на человека) робот F.E.D.O.R. Он мог ходить, управлять машиной и мотоциклом, сверлить, закручивать гайки и проводить разного рода ремонтные работы. Функция самообучения позволяла со временем расширить его функционал. На орбите F.E.D.O.R., выбравший себе позывной Skybot F‐850, работал в режиме «аватар». Космонавты Алексей Овчинин и Александр Скворцов использовали специальный костюм с VR-очками, выполняя простейшие действия, а робот их определял и повторял за космонавтами. Затем F. E.D.O.R. уже самостоятельно выполнял те же операции. Космонавты протестировали возможности в рамках эксперимента «Испытатель». Еще три таких робота используют сотрудники МЧС, пока в рамках обучения, но у модели F.E.D.O.R. большое будущее. Он сможет работать там, где не смогут люди.

Чуть раньше, в 2011 году, на орбите появился американский андроид Robonaut2. Он позиционировался как ловкий, то есть руки позволяли выполнять весьма сложные операции, требующие мелкой моторики. Задачей робота было выполнение часто повторяющихся рутинных операций, например, замена фильтров, настройка фотоаппаратов и т. д. Технология успешно проработала на МКС несколько лет, а NASA продала 50 патентов на отдельные технологии. Стоит отметить, что Robonaut2 работал в космосе без нижней части тела, хотя и были попытки присоединить дополнительные конечности.

В невесомости ноги не нужны, и автоматическим системам быть похожими на человека невыгодно. В 2018 году сферический робот по имени CIMON с видеокамерой и мультяшным лицом на экране летал по МКС и давал указания космонавтам. За его работой следил астронавт Александр Герст. Функциональных задач у CIMON не было, он только фиксировал результаты экспериментов и общался как на профессиональные, так и на отвлеченные темы. Например, робот запечатлел долгий процесс выращивания кристалла, прокомментировал последовательность действий медицинского исследования и собрал кубик Рубика. Подобный помощник может облегчить работу как в космосе, так и на Земле. Первая такая система появилась в космосе еще в 2006 году, а сейчас умные голосовые помощники – часть привычного быта.

Были также экспериментальные образцы шарообразных роботов под названием SPHERES. Как в фантастических фильмах, они летали самостоятельно и ориентировались при помощи ультразвуковых маячков, примерно как летучие мыши или подводные лодки. Испытания были успешны. Более того, каждый год студентам предлагали посоревноваться в написании программ для этих роботов. В этих битвах родилось много вариантов модернизации, и сейчас на МКС используется усовершенствованная версия робота по имени Astrobee.

Но шарообразным автоматическим аппаратам все же не хватает рук – их роль в космических аппаратах выполняют манипуляторы, как роботизированные, так и управляемые вручную. Первый полноценный манипулятор появился в космосе в составе шаттла Columbia в 1981 году. RMS, или «Канадарм», был длиной от 15 до 32 метров и состоял из двух основных секций и семи моторизованных сочленений. Можно провести аналогию с рукой человека: плечевой сустав имеет две степени свободы, то есть может поворачиваться влево-вправо, локтевой – одну: может только сгибаться. Кисть человека имеет две степени свободы, а космический манипулятор имел сразу три. То есть он мог поворачиваться и перемещать груз в любую сторону. Правда, с первого раза не все получилось – космонавты не смогли повернуть манипулятор в плечевом суставе. Дефект исправили, и манипулятор проводил эксперименты – как сам, так и с разным оборудованием – до 2001 года. Он ловил и запускал спутники, двигал приборы, активировал системы, производил ремонтные работы и искал дефекты, использовался для точного наведения камер и даже катал на себе людей. В XXI веке его заменила модифицированная и улучшенная версия «Канадарм 2», которая потом попала и на МКС. На современной станции к нему можно еще подключать так называемый ловкий манипулятор «Декстер», уже двурукий. Каждая из его «конечностей» – уменьшенная версия «Канадарма». «Декстер» может работать как одной, так и двумя руками. Самое главное – его подвижность и набор программ, позволяющих выполнять сотни сложных задач. В 2001 году его испытали: «Декстер» смог провести распаковку оборудования грузового корабля, пока космонавты спали. Правда, стоит отметить, что его прототип использовался еще на шаттле Discovery STS‐85. Тогда без проблем не обошлось, так как системы оказались не полностью совместимы с «Канадармом». В будущем есть вариант использовать в космосе трехрукий манипулятор SARAH.

Канадарм 2

В СССР для аналога шаттла, корабля «Буран», тоже был изготовлен манипулятор, но так и не был использован. Однако на станции «Мир» появился АСПр – автоматическая система перестыковки. Орбитальный комплекс предполагал соединение модулей не только спереди и сзади по направлению движения станции, но и сверху, снизу и по бокам. Советский манипулятор как раз и нужен был для перемещения тяжелых частей, для чего важна была не столько ловкость, сколько надежность и точность. Впервые АСПр использовался при перестыковке второго модуля «Квант‐2» станции «Мир» на боковой стыковочный узел. Манипулятор имел два шарнира, мог поворачиваться всего в двух плоскостях и присоединяться концом к специальным гнездам станции. Зато в нем были заложены значительные резервы по прочности и амортизации. Совмещение идей «Канадарма» и АСПр позволило создать манипулятор ERA, который используется на российском сегменте МКС. Он имеет семь степеней свободы, крепится к специальным гнездам и перемещается по ним вдоль корпуса станции.

Также интересны были технологические эксперименты и последующее применение специального крана «Стрела», который выдвигался телескопически, и манипулятора OBSS, который удлинял «Канадарм» в два раза. Планировался эксперимент по использованию полностью механического копирующего манипулятора «Пеликан», но на орбите идея не получила продолжения. Зато на Земле на основе этих технологий были созданы механизмы, нашедшие применение в строительстве, грузоперевозках, работе в опасных зонах, конвейерном высокоточном производстве и медицине. Хирурги все чаще и чаще прибегают к куда более подвижным механическим рукам, схожим с космическими «собратьями».