«В ходе полета на корабле «Союз-6» будут проводиться также испытания с помощью уникальной технологической аппаратуры различных способов сварки металлов в условиях глубокого вакуума и невесомости»
(Из сообщения ТАСС 12 октября 1969 г.)
«ВУЛКАН»
Поистине огромен послужной список сварки, перечень земных профессий, и дел, немыслимых без ее участия. А недавно советская наука и техника вписали с этот реестр побед человеческой мысли неземную графу сварка металлов в космосе.
Высокий уровень советской космической техники создал все необходимые предпосылки для успешного выполнения выдающегося эксперимента - работы на орбите первого в мире космического электросварочного цеха. Этот эксперимент важен для реализации многих планов, и замыслов по дальнейшему развитию самой космонавтики, ибо их практическое осуществление невозможно без широкого применения сварки непосредственно в космосе. Но и этим не исчерпывается значение первых опытов по сварке на орбите. Подобно тому, как земная сварка положила начало новому направлению техники - специальной электрометаллургии, так, и космическая сварка знаменует начало эры космической металлургии.
«Эксперимент по сварке в космосе, - пишет академик Б. Патон (в статье «Сварка на орбите», «Правда», 17 октября 1969 г.), - открыл новую страницу в освоении Вселенной. Впервые в мировой практике в космическом пространстве осуществлен технологический процесс, связанный с нагревом и расплавлением металла. Разумеется, использование концентрированных источников нагрева, какие представляет, например, дуга, может оказаться необходимым не только для сварки или резки, но, и для обработки деталей, получения сверхчистых металлов в космосе.
Материалы, полученные в ходе эксперимента, позволяют ученым и конструкторам приступить к разработке специализированных сварочных устройств, рассчитанных на условия космического пространства. Не меньшую роль играет, и то обстоятельство, что результаты исследований и разработок, выполненных при подготовке этого эксперимента, уже применяются в народном хозяйстве. Это относится, например, к совершенствованию технологии дуговой сварки в вакууме, созданию малогабаритных, и высоконадежных устройств для сварки электронным лучом и сжатой дугой»
Замечательному эксперименту в космосе предшествовал большой комплекс научных исследований, конструкторских работ.
Прежде всего ученым предстояло выбрать те виды сварки, которые будут наиболее перспективны именно для космических условий. А условия эти, с точки зрения осуществления сварки, значительно отличаются от земных. Невесомость, глубокий вакуум (а потому очень высокая скорость удаления газов, и паров, образующихся в зоне расплавления металла), весьма широкий интервал температур, при которых может находиться расплавленный и кристаллизующийся металл (от сильного нагрева Солнцем до значительного охлаждения в тени), - вот, что надо было учитывать при выборе способов сварки.
Естественно, что наиболее целесообразно использовать в космосе именно те способы, которые уже применяются на Земле для сварки в вакууме, то есть осуществляются в, какой-то мере в «космических» условиях.
В отношении таких методов, как, например, диффузионная сварка, сварка, и резка взрывом, можно было предположить, что их использование в космосе не должно вызвать особых трудностей. Ведь эти способы не связаны с расплавлением и свободной кристаллизацией свариваемого металла, значит, невесомость никакого влияния на ход процесса не окажет, а так, как соединение металлов происходит в разреженной среде, следовательно, глубокий космический вакуум только улучшит технологические качества сварки. А вот в отношении других, наиболее распространенных способов сварки, осуществляемых хотя, и в вакууме, но связанных с расплавлением соединяемого металла и обилием газов, и паров в зоне сварки (электроннолучевая сварка и резка, сварка, и резка плазменной дугой низкого давления, сварка плавящимся электродом и контактная сварка), нужно было провести самые тщательные исследования. Они должны были дать ответ на ряд принципиальных вопросов технологии сварки, послужить основой для конструирования аппаратуры, к которой космос предъявляет требования высокой надежности, точной, и безотказной работы.
В результате исследований, проведенных с помощью искусственных спутников, автоматических станций и космических кораблей, получены сведения, которые позволяют частично воспроизвести на Земле условия космоса. Но воссоздать одновременно действие всех космических условий - весьма сложна задача. Поэтому предварительные исследования выполнялись по этапам. Не каждом из этапов воспроизводилась лишь часть условий, характерных для космоса.
При этом сначала в обычных вакуумных камерах отрабатывались отдельные параметры сварочных процессов, подбирались такие режимы, при которых расплавленный металл в сварочной ванне удерживался бы лишь силами поверхностного натяжения, создавались, и проверялись конструкции сварочной аппаратуры. И только после этого приступили к наиболее сложной стадии исследований испытанию в условиях одновременного действия невесомости, и вакуума. Эти опыты проводились на борту самолета - летающей лаборатории, в которой создавались кратковременная невесомость, и разрежение, близкое к космическому.
Для экспериментов на борту самолета пришлось создать целый комплекс оборудования. Он должен был позволить опробовать в этих условиях различные способы сварки и сами сварочные устройства.
Созданный комплекс состоял из специальных вакуумных камер, вакуумных насосов, малогабаритных сварочных устройств, регистрирующих приборов (кинокамеры, осциллографы), и аппаратуры управления. На верхней крышке каждой вакуумной камеры устанавливалось устройство для сварки соответствующим методом.
При проведении экспериментов осциллографом регистрировали основные электрические параметры режима сварки, давление в камерах и силу тяжести на каждом участке полета. Поведение жидкой ванны, и капель электродного металла при сварке плавящимся электродом на протяжении всего процесса регистрировалось кинокамерами. Для фиксации быстротекущих явлений выборочно проводилась скоростная киносъемка.
Что же показало тщательное изучение результатов летных испытаний? Какие основные выводы позволило сделать исследование образцов, сваренных различными методами в условиях невесомости и вакуума?
Одна из главных особенностей сварки электронным лучом заключается в чрезвычайно высокой в нем концентрации энергии, что приводит к перегреву расплавляемого металла. В условиях невесомости жидкий металл удерживается в ванне (или полости реза) лишь силой поверхностного натяжения, которая уменьшается с ростом температуры металла. Кроме того, электронный пучок, и образующиеся пары металла давят на жидкий металл и стремятся вытеснить его из зоны плавления.
Удастся ли в таких условиях обеспечить хорошее формирование сварных швов? Не будут ли капли жидкого металла при резке этим методом удаляться из полости реза, что, конечно, недопустимо в невесомости? Опыты показали, что при кратковременной невесомости, и сварка и резка различных материалов электронным лучом могут успешно осуществляться, и не вызывают особых трудностей. Выяснилось, что в условиях невесомости происходят существенные изменения в микроструктуре швов, связанные с отсутствием силы тяжести. Обнаружилось некоторое повышение прочности сварных соединений. Но в некоторых случаях наблюдалась местная пористость швов (так, как из-за отсутствия силы тяжести затруднено выделение газов из расплавленного металла).
Хорошие результаты в условиях невесомости дала также сварка и резка плазменной дугой низкого давления, При этом методе сварки, на ход ее процесса значительное влияние оказывают вакуум, и скорость откачки атмосферы из зоны сварки. Опыты, имитирующие условия разгерметизированного космического корабля, показали, что для получения стабильной дуги нужно принять специальные меры. Задача их - повысить надежность возбуждения дугового разряда.
При изучении дуговой сварки плавящимся электродом в условиях невесомости центральной была проблема управления процессом плавления электродного металла и его переноса.
Оказалось, что если сварку вести импульсами тока (при большой длине дуги) или же систематическими короткими замыканиями (при малой длине дуги), то сварочный процесс протекает устойчиво, а это обеспечивает получение доброкачественного шва. Если же не приняты такие специальные меры, то капли электродного металла из-за отсутствия силы тяжести сильно растут, и достигают размеров, при которых нарушается стабильность процесса сварки.
Данные этих и других многотрудных фундаментальных работ, на которые ушло несколько лет, позволили перейти к завершающему этапу исследований - сварке различными методами непосредственно в околоземном космосе в условиях длительной невесомости, и вакуума.
Для этих экспериментов была создана опытная установка «Вулкан:» (см. снимок на стр. 34). Она представляет собой полностью автономное устройство, соединенное с системами космического корабля лишь кабелем телеметрии. Установка позволяет выполнять сварку электронным лучом, плазменной дугой и плавящимся электродом. Состоит установка из двух блоков. В одном расположены различные сварочные устройства, и соединяемые образцы; в другом - система энергопитания, приборы управления, измерительные и преобразовательные устройства, средства автоматики, и связи.
Установка помещается в герметизированном отсеке, заполненном азотом, а пульт для дистанционного управления процессом сварки находится в спускаемом аппарате корабля. Общий вес установки не превышает 50 килограммов.
Установка «Вулкан» была размещена на корабле «Союз-6», запуск которого состоялся 11 октября 1969 года. Исторический эксперимент по сварке в космосе был проведен 16 октября летчиками-космонавтами Г. С. Шониным, и В. Н. Кубасовым.
После разгерметизации отсека космонавт-оператор, находившийся в спускаемом аппарате, в соответствии с программой включил автоматическую сварку плазменной дугой низкого давления. Затем он привел в действие автоматические устройства для сварки электронным лучом, и плавящимся электродом. Во время каждого опыта космонавт наблюдал за работой установки по сигнальным табло на пульте управления. Все данные о режиме сварки, и условиях проведения эксперимента передавались на Землю, и фиксировались самопишущими приборами.
«Выполненный эксперимент, - пишут Б. Е. Патон и В. Н. Кубасов, заканчивая свою статью «Эксперимент по сварке металлов в космосе» («Автоматическая сварка» № 5, 1970), - подтвердил сделанные ранее основные предположения, и результаты исследований, полученные в летающей лаборатории. Процесс плавления и резки электронным лучом протекает стабильно, обеспечиваются необходимые условия для нормального формирования сварного соединения или реза.
Основные параметры режима сварки плавящимся электродом на корабле «Союз-6», а также структура шва, и около шовной зоны оставались практически такими же, как при сварке на Земле и в летающей лаборатории; достигнуто необходимое проплавление соединяемого металла. Металл швов плотный, без газовых, и неметаллических включений; удаление газов из расплавленного металла в процессе кристаллизации удовлетворительное. Существенных отклонений от заданного химического состава металла шва и переплавленного электродного металла не обнаружено.
Исследование дуговой сварки плавящимся электродом показало, что в условиях продолжительной невесомости, несмотря на высокую скорость откачки, возможно образование длительного устойчивого дугового разряда в парах материала электрода.
Сварка плазменной дугой низкого давления на данной аппаратуре не дала ожидаемых результатов. По-видимому, скорость диффузии плазмообразующего газа в атмосферу корабля превысила ожидаемую. Поэтому его концентрация в дуговом промежутке оказалась недостаточной для контрагирования сжатой дуги.
В то же время высокая скорость откачки газов через люк космического корабля оказала положительное влияние при электроннолучевой резке. Наблюдающееся при этом выделение газов не сказалось на надежности работы электроннолучевого оборудования.
Малогабаритные сварочные устройства, включенные в комплекс установки «Вулкан», показали достаточную надежность, и работоспособность в условиях космоса. Принципиальные решения, принятые при разработке этих устройств, и данные самого эксперимента могут быть положены в основу конструирования специальных сварочных установок, предназначенных для выполнения конкретных технологических операций в космическом пространстве.
Эксперимент по сварке в космосе - это новый, важный этап развития космической техники»
Перефразируя известное изречение, можно сказать широко простирает сварка руки свои в дела человеческие.
ПОД ЗВЕЗДАМИ ПЛАНЕТАРИЯ
В Киевском планетарии днем искусственное небо демонстрируют посетителям, ночью - подопытным птицам. Вот уже два года кафедра зоологии позвоночных Киевского университета вместе с сотрудниками планетария, и Главной астрономической обсерваторией АН УССР изучают ориентацию птиц.
Осенью, и весной, когда наступает время перелетов, сидящие в специальных клетках птицы начинают беспокоиться. Это волнение выявляется в их прыжках, направление которых в большинстве совпадает с курсом полетов. Особенно четко это выявляется у пернатых, совершающих свои полеты ночью.
Количество прыжков отмечают электромагнитные счетчики.
Часть клеток ставится в соленоиды - прямоугольные рамы, обмотанные проволокой. С их помощью можно создать искусственное магнитное поле. Особенностью экспериментов является совмещение искусственного неба с искусственным магнитным полем. Оказалось, что, когда над головой птиц знакомое звездное небо, изменение искусственного магнитного поля почти не влияет на птичью ориентацию. Не влияет на нее, и отсутствие на «небе» отдельных созвездий. Если в опытах «звездное небо» смещено в широтном или долготном направлении, птицы также вносят соответствующие коррективы в свои прыжки.
Опыты показали, что у подопытных птиц (малиновок, славок-черноголовок, ласточек-береговушек, ястребиных славок, малых жаворонков - всего более 20 видов пернатых), кроме звездной, доминирующей, существует ориентация по геомагнитному полю. Эта система дублирующая. Результаты опытов, полученные в планетарии, проверяются в природе под настоящими звездами в Черноморском заповеднике.
Г. СЕЛЕЖИНСКИЙ.
