Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

На космических станциях липучки стали появляться на самом разном оборудовании. Однако оставалась одна проблема – липучка имела срок годности, потому что при частом использовании крючки распрямляются. В 1995 году был проведен специальный эксперимент «Липучка», в ходе которого Юрий Маленченко, Талгат Мусабаев и Валерий Поляков оценивали рабочие качества липких пластинок различного дизайна, а также степень ухудшения характеристик в течение длительного периода использования. На современной МКС липучка есть практически на всех предметах, как и на Земле. Особенно много липких лент на одежде, обуви и сумках.

У космонавтов кроме костюмов есть еще скафандры. Хотя сейчас они применяются не так часто, именно эти специфические оболочки создают героический образ покорителей Вселенной. В первых полетах инженеры очень боялись разгерметизации, и космонавты оставались в скафандрах весь полет. Их оболочки делались из тонкого слоя резины и нужны были, чтобы не выпускать воздух. При этом благодаря эластичным свойствам оставалась возможность двигаться. Выходить в открытый космос в таких скафандрах было нельзя. Внутри есть воздух и давление, а снаружи – нет. Скафандр бы раздулся как воздушный шарик. Для работы за пределами космической станции нужна была другая технология. Первым космонавтом, вышедшим в открытый космос, был Алексей Леонов. Он воспользовался новым скафандром «Беркут» с трехслойной оболочкой – льняной силовой пояс и два слоя резины, не дававшей скафандру раздуться и случайно порваться. Действительно, когда Леонов вышел в открытый космос, «Беркут» не увеличился в размерах, но возникла другая проблема – оболочка скафандра сделалась жесткой, из-за чего стало сложно двигаться. По инструкции внутрь шлюза корабля нужно было залезать ногами вперед, а сделать это не получилось. Леонов залез головой вперед, но, чтобы закрыть люк, ему нужно было развернуться. Для снижения давления он открыл клапан и выпустил часть воздуха. Скафандр стал мягче, но все равно двигаться в нем было сложно. По словам Леонова, за пять минут работы он похудел на пять килограммов. Для последующих выходов нужно было сделать скафандр более удобным, и химики и инженеры взялись за работу.

Резина создается из каучука путем вулканизации с добавлением серы и других веществ. Соответственно, меняя содержание примесей и технологический процесс, можно получать резины разных свойств. Растягиваться материалу помогают длинные подвижные молекулы, которые можно удлинить или укоротить. Исследования велись на тот момент уже долго, но интересно, что один из основоположников космонавтики – Фридрих Цандер – за пятьдесят лет до полета Юрия Гагарина считал, что резина станет необходимым элементом полета. Тогда он пошел работать на завод по ее производству.

Наиболее активные исследования синтетических каучуков и резины космонавтика стимулировала в 1960‐е годы. Для скафандров использовались синтетические хлоропреновые, изопреновые, кремнийорганические, уретановые каучуки, причем для разных типов задач – разная резина. Для советских аварийно-спасательных скафандров нужна была более прочная уретановая, для американских, которые могут использоваться в чистом кислороде и не должны от этого портиться, нужна хлоропреновая, для скафандров жесткого типа, в которых важно удобство и эластичность, хорошо подойдет кремнийорганическая. Все новые типы резины нашли применение на Земле, например в медицинском оборудовании подачи кислорода и в производстве износостойких автомобильных шин.

Для отдельных элементов скафандра используется латекс. Это еще один материал, производный от каучука, – при его вспенивании, добавлении желатина и вулканизации получается очень легкая губчатая резина, которую можно использовать для амортизации шагов на поверхности Луны и планет. И такую резину можно увидеть на подошве земных кроссовок.

Слои скафандра

Еще одна технология – метод ионного отложения. Предмет сначала погружают в раствор хлористого кальция, потом смачивают электролитом, и на заготовке появляются ионы. Затем предмет окунают в латекс. Вещество «прилипает» к ионам, остается на предмете и образует тонкую защитную пленку. Этот метод применяется при создании резино-трикотажных изделий для специальных типов рабочей одежды.

Для защиты от механических повреждений над герметичной резиновой оболочкой скафандр покрывается тканью из полиамидных волокон типа нейлона и полиэфирных волокон типа лавсана. Последний еще называют полиэтилентерефталат, или ПЭТ, из него делают пластиковые бутылки и упаковки. Эти соединения были открыты уже в эпоху зарождения космонавтики, но значительно раньше первого полета. Технология получила свое развитие благодаря космосу.

После успешной работы на орбите космонавту нужно вернуться на Землю. И это один из самых опасных и трудных процессов. Когда космический аппарат входит в плотные слои атмосферы, он нагревается до 2500 °C из-за трения о воздух. Спускаемый аппарат, словно спичка, чиркает о молекулы. Чтобы защитить космонавтов и не дать им зажариться, инженеры стали искать теплоизоляционные и при этом огнестойкие материалы. ЭВТИ, описанная выше, уже не годится. Металлы слишком хорошо проводят тепло. Первые космические корабли использовали асботекстолит. Это ткань из асбестовых, гидросиликатных и хлопковых волокон. Каждый материал в составе использовался ранее для изоляции, например в утеплении домов или в одежде, но смесь веществ значительно улучшила свойства. Правда, асботекстолит все же не идеален. Во время посадки может обгореть несколько слоев ткани, но в спускаемом аппарате их хватает с большим запасом. Тем не менее поиск лучшего варианта продолжался, и, например, для транспортного корабля снабжения (ТКС) была изготовлена кремнеземная ткань. Примечательно, что ТКС стал первым космическим аппаратом многоразового использования. Для американских шаттлов и советского корабля «Буран» ткань не подходит – эти многоразовые корабли планируют в атмосфере и поэтому должны сохранять свою аэродинамическую форму, оставаться жесткими. Для них разработали волокнистую керамическую кварцевую плитку, которая на 90 % состояла из воздуха. Тепло передается через взаимодействие атомов, а у газов столкновения очень редки. Кроме того, для частей «Бурана», которые подвергались самым большим температурным нагрузкам, был разработан материал «Гравимол» – композитное вещество, которое представляет собой атомы углерода, упакованные в кристаллическую решетку так, что между слоями атомов есть большое пространство. На основу тонкими слоями наносятся бор, кремний и противоокислительное покрытие на основе дисилицида молибдена.

Хотя в США были другие материалы, по своей сути они были похожи. В итоге суммарно было получено порядка 50 различных теплозащитных покрытий. Их быстро взяли в оборот также пожарники и гонщики, чья спецодежда не горит и защищает от пламени.

Чтобы уменьшить воздействие удара и перегрузок при посадке и взлете, для космонавтов стали искать специальные материалы, которые хорошо амортизируются, но при этом сохраняют форму. Так была разработана пена с эффектом памяти. Физический принцип основан на том, что структура вспененного полиуретана очень сложна и напоминает сеть, создающую упругость. Воздух достаточно быстро выходит из пор, уменьшая объем материала и придавая форму давящего тела, но заходит достаточно медленно, чтобы форма держалась некоторое время.