Вакуум в космосе

Вырвавшись на бескрайние просторы Вселенной и приступив к их планомерному освоению, человек вплотную столкнулся с принципиально новыми физическими явлениями, особое место среди которых занимает космический вакуум. Однако следует предостеречь читателя от прямого толкования этого термина: слово «вакуум», как известно, в переводе с латинского означает «пустота». Такое дословное толкование сейчас представляет собой разве что музейную ценность. В земной практике, например, принято считать, что мы имеем дело с вакуумом, если давление в газовой среде ниже нормального атмосферного значения. В общем же случае, вопреки давно бытующей поговорке «Природа не терпит пустоты», Вселенная на 99,999…% состоит из вакуума, т. е. пустоты, и лишь ее незначительные части представляют собой сгущения материи.

Космический вакуум по своим характеристикам близок к тому предельному вакууму (или даже намного превышает), который получают сегодня в земных лабораториях в специальных установках. Поэтому можно сказать, что с этим вакуумом человек знаком давно. Как искусственный физический феномен вакуум не только известен, но и с незапамятных времен исправно служит людям.

Можно перечислить сотни научных экспериментов, постановка которых возможна лишь в условиях сильно разреженной среды. Только в вакууме удается получать сверхчистые металлы, осуществлять тончайшие технологические процессы. Без него не смогли бы работать кинескопы телевизоров и многие другие электронные приборы. Да что говорить, если даже обычные медицинские банки — это тоже своего рода «вакуумная техника».

Почему же космический вакуум мы называем новым физическим явлением? Чем отличается он от разреженных газовых сред, с которыми человек давно имел дело в привычных земных условиях?

Его первая «особая примета» — чрезвычайная разнородность структуры. Вселенная представляет собой бескрайнее, бездонное вместилище твердой, жидкой, газообразной и плазменной материи. Однако заполнена она крайне неравномерно. Концентрация газовых частиц в космическом пространстве меняется в поистине гигантском диапазоне. Так, например, у поверхности Земли она достигает астрономической величины 2,7-10¹⁹ частиц в одном кубическом сантиметре. Но если взять достаточно удаленное от небесных тел пространство, то здесь в том же объеме будет «прописана» в среднем уже лишь одна частица.

Вторая отличительная черта космического вакуума связана с неограниченной способностью космического пространства «поглощать» вещество. Частица, испарившаяся в космос с какой-либо поверхности космического летательного аппарата, практически не имеет никаких шансов вернуться «домой» — она превращается в вечного странника.

По вакуумным просторам Вселенной толпами и в одиночку путешествуют молекулы, атомы, протоны, электроны, фотоны, словом, материальные частички самых разных мастей. Причем они движутся с гигантскими скоростями, но, к счастью, от встреч с большинством из них жители Земли избавлены благодаря двойной защите: плотной газовой оболочке (атмосфере) и магнитному полю. В атмосфере Земли сгорают и рои твердых микрометеороидов, общение с которыми тоже не сулит человеку ничего хорошего.

Но в открытом космосе никто и ничто не защитит человека, если он сам о себе не позаботит ся. Пребывание живых организмов в космическом вакууме незащищенными невозможно. В XVII в немецкий физик О. Герике поместил в стеклянный шар мышь и, откачав из него воздух, обнаружил, что мышь быстро погибла. Этот наглядный пример показывает, что в космическом вакууме не может быть незащищенной жизни. Поэтому космонавты при выходе в открытый космос облачаются в специальные скафандры.

Здесь, конечно, перечислены не все сюрпризы, которыми встречает отважных пришельцев космический вакуум. Но даже из того, что сказано, можно сделать определенные выводы.

В течение всего полета космических кораблей на их борту необходимо сохранять атмосферные условия, максимально приближенные к земным: малейшая утечка газа в космическое пространство чревата самыми серьезными последствиями. Иначе говоря, пилотируемый космический аппарат должен быть надежным образом загерметизирован. На Земле в специальных лабораториях с предельной тщательностью проверяются каждый шов, каждый стык космического корабля. Но это только четверть дела. Обеспечить надежную герметичность при стыковке пилотируемых космических аппаратов в космосе — задача еще большей сложности. Однако и эта проблема была успешно решена.

Поддерживать стабильный тепловой режим внутри кабины космического аппарата — также дело непростое. Причем управлять температурой на околоземной орбите ничуть не легче, чем во время межпланетного перелета. За короткое время искусственный спутник Земли переходит с освещенной Солнцем стороны Земли в ее тень и снова — на солнечную сторону. Его, в самом прямом смысле слова, бросает то в жар, то в холод. А при этом внутри его жилых отсеков температура должна быть постоянной, и поэтому на борту такого пилотируемого аппарата необходимо размещать специальную систему терморегулирования.

Однако защищать от космического вакуума надо не только человека, но и целый ряд бортовых устройств. Например, электронные узлы и блоки бортовых приборов, отдельные элементы автоматики и т. п. Далее, это различные механизмы и узлы трения, которым грозит так называемая холодная сварка и т. п.

Итак, космический вакуум предъявляет как к пилотируемым, так и к беспилотным космическим аппаратам немало специфических требований, которые нужно учесть еще в процессе наземной подготовки к полету — в космосе подобные эксперименты могут обойтись слишком дорого. Отсюда вытекает необходимость создавать на Земле лабораторные установки, в которых моделируются условия космического вакуума. И такие установки были созданы. В них можно исследовать поведение не только космических аппаратов, но также и ракет-носителей. Трудно даже представить себе гигантские размеры таких установок.

Сверхвысокий вакуум поддерживается в испытательных моделирующих установках главным образом путем вымораживания газов и паров на внутренней поверхности установок. Эти поверхности охлаждаются до сверхнизких температур жидкими азотом, водородом и гелием. Поэтому развитие космической техники дало мощный импульс развитию вакуумной и криогенной техники.

Ученые всерьез занялись также наукой о моделировании воздействий космического вакуума на материалы, узлы и элементы космических аппаратов, что породило новую отрасль науки -космическое материаловедение.

Кроме воздействий на искусственные материалы космических аппаратов, космический вакуум воздействует также специфическим образом на естественные вещества поверхностей различных безатмосферных небесных тел. Однако эти воздействия должны служить предметом отдельного разговора.

В настоящей брошюре рассматриваются разнообразные воздействия космического вакуума на материалы, узлы и элементы устройств космических аппаратов. В ряде случаев эти воздействия ухудшают эксплуатационные характеристики этих объектов и могут привести даже к отказам, оказывая в целом неблагоприятное воздействие на функционирование космического аппарата и его частей. В других случаях космический вакуум оказывает благоприятное воздействие и может быть использован в полезных целях (процессы космической технологии и бортовые эксперименты в условиях космического пространства).

Поскольку узлы и блоки космических аппаратов, как правило, представляют собой очень сложные оптико-механические и электронные устройства, то даже знание детальных характеристик поведения отдельных их составных частей в космическом вакууме (вакуумные характеристики) пока не дает еще возможности аналитически оценить и заранее предсказать те или иные особенности их поведения при длительном пребывании в космическом пространстве (ресурс, отказы и т. п.). Однако так как все они требуют в той или иной степени высочайшей надежности в космическом полете, то единственно приемлемым пока способом их наземной подготовки к полетам являются тщательные наземные исследования и испытания в установках, моделирующих воздействия космического вакуума.

Особо рассматривается воздействие космического вакуума на биологические объекты -микроорганизмы. Эти воздействия представляют практический интерес с точки зрения стерилизации космических аппаратов и планетного карантина. Кроме того, они имеют самостоятельное значение в области фундаментальной науки — применительно к проблеме происхождения жизни на Земле, определения границ земной биосферы и др.