Заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» Эдуард Щербаков: «Российская методика обеспечения герметичности космической техники не имеет мировых аналогов»


Пилотируемый корабль «Союз TMA-15M» после отстыковки от МКС
Источник: NASA

Россия — мировой лидер по числу пилотируемых космических запусков. Реализуемая с 2000 года программа МКС – это в том числе регулярные старты и посадки транспортных пилотируемых кораблей «Союз», выходы в открытый космос, многочисленные динамические операции. Длительное нахождение людей на орбите предъявляет особые требования к вопросам герметичности – одного из базовых параметров безопасности космических полетов.

Каким образом проводятся испытания космической техники в вакуумных камерах? Чем различаются российский и американский подходы к обеспечению герметичности? На эти и другие вопросы отвечает заместитель руководителя научно-технического центра РКК «Энергия» Эдуард Щербаков.

— Эдуард Викторович, что такое герметичность и насколько она важна при проектировании и изготовлении образцов ракетно-космической техники?

— Герметичность – это, без преувеличения, ключевой, жизненно важный фактор для работы ракет-носителей, разгонных блоков и космических аппаратов. Пренебрегать ей – значит ставить под угрозу жизни космонавтов и успех автоматических миссий.

Ряд аварий в космосе так или иначе связан с нарушениями герметичности – например, в 1963 году из-за разгерметизации орбитального отсека была потеряна межпланетная станция «Марс», в 1968 году по аналогичной причине при посадке разбился спускаемый аппарат беспилотного варианта корабля Л1, в 1975 году из-за разгерметизации спускаемого аппарата погиб экипаж космического корабля «Союз-11», в 1975 году из-за проблем с герметичностью потеряна космическая станция «Алмаз» без экипажа, в 1997 году из-за аварии и разгерметизации почти полностью утратил работоспособность модуль «Спектр» орбитальной станции «Мир»… И это только отечественная статистика.

Обеспечение герметичности – непростая задача, в поиск эффективных решений которой солидно вкладывается каждая космическая держава. Не хочу приуменьшать достижения зарубежных коллег, но с гордостью могу сказать, что наша страна здесь лидер. Сегодня испытания на герметичность приобретают особую актуальность, ведь речь идет о будущих длительных космических полётах.

— В чем особый подход РКК «Энергия» к вопросам обеспечения герметичности?

— У нас создана собственная уникальная методология, основанная на крайне высоких требованиях к герметичности обитаемых отсеков и пневмогидросистем изделий космической техники. У нашей методики нет мировых аналогов, она позволяет обеспечить герметичность орбитальных комплексов на протяжении всего длительного полёта.

Смысл в том, что применяются самые чувствительные методы испытаний, которые позволяют измерять такие минимальные утечки, которые обеспечивает современная технология изготовления изделий и средств наземных измерений. На уровне этих возможностей предъявляются допустимые требования к герметичности.

Часто говорят, что проблему потери герметичности можно решить через компенсацию из резервов сжатого газа в баллонах. Да, в отдельных случаях, наверное, это возможно, но лишь на время, хотя на практике мне это неизвестно. Главное, чтобы течь не прогрессировала и не привела к декомпрессии космического объекта, о последствиях которой хорошо известно. На это и направлен особый подход РКК «Энергия».

Мы используем наиболее чувствительный метод испытаний на суммарную герметичность. Он основан на применении вакуумной камеры и гелиевого масс-спектрометра. Эта технология проверена и хорошо зарекомендовала себя еще со времён первых искусственных спутников Земли. Вакуумная камера задействуется на всех этапах испытаний изделия – начиная от квалификационных и заканчивая заключительными контрольными на космодроме. Такая цепочка позволяет оперативно выявлять и устранять течи на Земле – ведь после старта прямого доступа к изделию уже не будет.

— То есть, несмотря на многоуровневые проверки, течь может возникнуть на завершающей стадии подготовки незадолго до старта?

— Наверное, в этом и кроется опасность. Как правило, это может быть связано со скрытыми прогрессировавшими дефектами изготовления или повреждениями в процессе наземной подготовки. С 1968 по 1999 годы зарегистрированы десятки подобных случаев, из которых наиболее серьезными были повреждения корпуса гермоотсека спускаемого аппарата, скрытые металлургические дефекты корпуса стыковочного узла, разгерметизация контуров системы терморегулирования, негерметичность двигательной установки и другие неисправности. Благодаря вакуумным испытаниям готового изделия на космодроме, все дефекты были вовремя локализованы и ликвидированы.

— Существуют ли технологии, позволяющие обнаруживать и устранять негерметичности во время орбитального полета?

— Такие технологии есть, но для создания эффективных штатных средств поиска и ремонта течей на орбите потребуется несколько лет и определенное финансирование. А выход космонавтов в открытый космос – это весьма затратное и небезопасное дело. Это только один аспект, а предположим аварийный случай внезапной частичной разгерметизации одного из модулей станции. Для временной компенсации течи и поддержания нормального давления на борту потребовались бы дополнительные запасы воздуха, а его доставка на орбиту довольно затратна. Не говоря о том, что сам факт возникновения такой ситуации можно считать аварией, ведь под угрозу ставятся жизни членов экипажа. Выводы делайте сами.

— Какие средства есть сегодня на борту для поиска и ликвидации негерметичностей?

— Во-первых, это датчики давления системы обеспечения жизнедеятельности и система оповещения, которая позволяет установить, что «процесс пошёл» в случаях значительной разгерметизации. Затем вступают в действие датчики потока, установленные на люках между российскими модулями, которые показывают куда и откуда течет воздух атмосферы российского сегмента МКС, то есть позволяют определить в каком из модулей находится крупная течь. У экипажа есть подробная инструкция, которая была разработана проектным подразделением РКК «Энергия», где чётко указывается, что надо делать в этих случаях.

Что касается меньших негерметичностей, которые можно выявить в процессе длительного мониторинга давления в станции с учетом всех возмущающих факторов, то здесь не все так однозначно. Есть много бортовых экспериментов, но пока нет штатной надежной системы обнаружения местоположения негерметичностей.

Совместный совет международных партнеров по обнаружению и ремонту утечек на борту МКС, сопредседателем которого я являюсь, предполагает создание системы обнаружения координат мест возникновения течей. Она называется APLLS и позволит определить не только факт допустимого соударения с метеороидом, которое длится миллисекунды, но и появления постоянного сигнала от течи, возникшей по любой из многих возможных причин.

— Как НАСА относится к проверкам герметичности при изготовлении космической техники? Там тоже используются вакуумные камеры или у них имеются свои методы?

— С НАСА – интересная ситуация. Изначально они придерживались собственной точки зрения, в соответствии с которой высокая герметичность обитаемых отсеков пилотируемых кораблей была необязательна для полётов. Это пошло еще с проекта их станции Freedom. При этом продвигалась теория распространения трещин (Crack Propagation), созданная на основе компьютерной обработки результатов испытаний образцов металла гермооболочки разной формы (плоской, сферической, цилиндрической, конической и так далее). В НАСА расценивали этот подход как менее затратный по сравнению с нашим, ведь в случае применения дефектоскопии он снижал вероятность возникновения взрывной декомпрессии.

Взрывная декомпрессия – это когда высокогерметичный корабль мгновенно теряет весь запас воздуха. Американцы, уйдя от высокой герметичности, компенсировали утечки за счет увеличенных запасов газа, которых им хватало ввиду ресурсов шаттлов на период каждой из коротких миссий. Например, они утверждали, что декомпрессия может произойти, если длина трещина в любой толщине металла при любой его ширине составит более 7 дюймов при одной избыточной атмосфере.

Когда речь зашла о совместном строительстве МКС, нас такая политика не устроила. Общая станция подразумевает единый герметичный объем, поэтому все модули должны проходить испытания на герметичность в соответствии с технологией, независимо от того, какая страна-участница их изготовила. После пяти лет переговоров России удалось через контрольный совет МКС, комиссию Стаффорда-Уткина убедить НАСА пересмотреть свои подходы и обеспечить условия для проведения высокочувствительных испытаний суммарной герметичности всех модулей американского сегмента МКС.

Для проведения таких испытаний была восстановлена вакуумная камера в Космическом центре им. Кеннеди на мысе Канаверал. Реконструкция обошлась США в 20 млн долларов. Работы проводились по методике и с консультациями специалистов РКК «Энергия». В результате НАСА взяло на себя обязательства при создании всех элементов МКС придерживаться критериев герметичности, которые мало отличаются от российских, введя специальный термин – критерий успеха испытаний.

ЕКА и японское космическое агентства также приняли на себя аналогичные обязательства, что узаконено соответствующими документами. Все модули, начиная с US LAB, прошли испытания в вакуумной камере и перед пуском. Таким образом, мы можем смело заявлять о международном признании и распространении нашей методологии контроля герметичности крупногабаритных объектов космической техники.

— Что дает вакуумная камера при испытаниях на герметичность? В чем ее плюсы и минусы?

— Сегодня альтернативы вакуумной камере в принципе нет. Наиболее объективный метод контроля герметичности в наземных условиях – это имитация окружающего космического вакуума. Сводится на нет человеческий фактор, ведь используются автоматы, регистрирующие общую негерметичность отсеков, испытания высочувствительны и технологичны. В вакуумной камере имитируется нагружение давлением всех элементов конструкции корабля, аналогичное тому, которое создается в орбитальном полете, что позволяет оценить механическое взаимодействие элементов до старта, посмотреть, как ведет себя конструкция в космическом вакууме.

Когда собранное изделие находится в камере в течение нескольких суток, происходит вакуумная сушка: материалы отдают испаряющиеся и механические частицы, поверхности очищаются от газов и других веществ. В атмосферных условиях это сделать невозможно из-за эффекта гидропоршня в микронеплотностях, образующихся в результате капиллярной конденсации влаги из окружающей атмосферы или остатков жидкости после гидравлических испытаний первоначальной конструкции пневмогидросистем. Все это и многое другое делает вакуумную камеру незаменимым инструментом на всех этапах подготовки космической техники.

— Какие вакуумные камеры применяются в филиале РКК «Энергия» на Байконуре?

 — Их там было построено немало. Самая первая вакуумная камера СМ-483 была построена на космодроме еще для испытаний первого искусственного спутника Земли в 1957 году с объемом всего 1 куб. метр. Сейчас эта камера у нас в Королёве, после обновления используется на экспериментальной базе нашего центра. Объемы следующих камер постепенно увеличивались в связи с ростом габаритов космических аппаратов. К примеру, объем построенной в 1959 году камеры СМ-357 для испытаний кораблей «Восток» составлял уже 20 куб. метров, затем ее увеличили до 30 куб. метров. С началом производства кораблей «Союз» под них была разработана камера «СМ-702» объемом 280 куб. метров, которая позволяла испытывать корабли в собранном виде. Позже она была увеличена до 360 куб. метров для испытаний долговременных орбитальных станций «Салют».

К началу разработки многоразового орбитального корабля «Буран» потребовалась вакуумная камера нового поколения, которая бы соответствовала по габаритам и при этом была бы лишена недостатков предыдущих образцов. В 1978 году по предложению и обоснованию НПО «Энергия» руководство страны и отрасли приняли решение изготовить вакуумную камеру нового поколения диаметром 10 метров и высотой 11 метров, которая бы позволяла испытывать на герметичность крупногабаритные отсеки и пневмогидросистемы кораблей «Буран». Камера объемом около 1000 куб. метров была сдана в эксплуатацию в конце 1987 года и получила обозначение 17Т523.

После закрытия программы «Буран» камеру восстановили и модернизировали, и в результате на ее базе был создан уникальный, не имеющий аналогов в мире, комплекс 17Т523М объемом 1515 куб. метров. В этой вакуумной камере были проведены успешные испытания целого ряда изделий, в том числе космические корабли «Союз», «Прогресс», основной модуль российского сегмента МКС «Звезда», спутники связи «Ямал» и другие.

— В чем заключалась реконструкция камеры? Сколько времени на это ушло? Какие возможности открываются с вводом в эксплуатацию реконструированного вакуумного комплекса на Байконуре?

— По сути, после реконструкции от старой камеры остался только корпус из нержавеющей стали, платформа и ложемент для загрузки изделий. Практически все остальное было заменено. В результате мы получили «чистую» автоматическую камеру с современной системой управления. Работы по реконструкции заняли три года, в них участвовали многие организации, при этом наш центр был головным. В числе смежников были проектировщики, конструктора, монтажники, строители. Руководил работами генеральный конструктор пилотируемых космических комплексов Сергей Романов.

После реконструкции камера позволяет проводить испытания на герметичность любых изделий космической техники, которые могут быть созданы в обозримом будущем. В том числе тех, для которых требуется высокая чистота. Это могут быть спутники ДЗЗ, космические аппараты специального назначения, межпланетные автоматические комплексы, пилотируемые корабли, новые модули для МКС и т.д. Диапазон изделий очень широк – любой подходящий по габаритам аппарат может быть испытан в этой камере с высоким качеством и без опасности загрязнения.

— Как будут проводиться испытания изделий, запланированных к запуску с космодрома «Восточный»?

— На Восточном будет построена своя похожая вакуумная камера. В отличие от этой, она будет горизонтальной и предназначенной в основном для испытаний перспективного транспортного корабля «Федерация». Сейчас началась разработка документации и к моменту изготовления первого корабля камера будет готова.

Источник