Международные экипажи в космосе - Валентин Иванович Козырев

достаточно много. Как известно, основная цель космической технологии — использование факторов космического полета, главным образом невесомости, для получения полезных и подавления вредных влияний на процесс изготовления веществ и создание новых, технологически перспективных материалов.

В настоящее время трудно указать те рубежи, на которые выйдет промышленное производство в космосе благодаря созданию орбитальных технологических комплексов. Нам еще предстоит выявить технический потенциал невесомости, и пройдет немало лет, прежде чем человечество в полной мере воспользуется преимуществами и возможностями новой среды. Но и сейчас можно утверждать, что перед космической технологией, космическим материаловедением с созданием орбитальных станций открываются невиданные, фантастические перспективы.

А пока идет накопление фактов, кропотливое изучение различных сторон течения технологических процессов в невесомости, поведения в космосе материалов, экспериментальное производство и анализ выращенных на орбите кристаллов. В ряду этих исследований находятся и эксперименты, проведенные международными экипажами.

Большая часть исследований в области космического материаловедения была проведена международными экипажами на советских электронагревательных установках «Сплав» и «Кристалл». Описание этих установок было дано в отечественной печати[22].

Рассмотрим далее эти эксперименты в той последовательности, в которой они выполнялись международными экипажами. Следует отметить, что если судить по названиям, то технологических экспериментов было всего 15. На самом деле большинство из них представляли собой серии исследований, часто весьма существенно различавшихся по целям, исходным материалам, условиям проведения эксперимента и т. п. Поэтому правильнее будет говорить о нескольких десятках экспериментов, проведенных на станции «Салют-6» космонавтами социалистических стран.

В серии экспериментов «Морава» (СССР-ЧССР) исследовались новые материалы, полученные в состоянии почти полной невесомости (микрогравитации), выяснялись связи между условиями проведения эксперимента и характером кристаллизации, выявлялось воздействие микрогравитации на структуру и другие физические характеристики конденсированных систем.

В других экспериментах серии изучался процесс затвердевания (кристаллизации) расплава двух веществ, представляющего эвтектику[23]. При этом один из компонентов содержался в избытке. В этом случае процесс затвердевания проходил в два этапа: кристаллизация из расплава основного компонента и последующее отвердевание остаточной эвтектики.

В качестве основного компонента в первом эксперименте был выбран анизотропный кристалл хлорида свинца (РbСl2), поскольку на нем проще проследить влияния температурного перепада и гравитационного поля. Вторым изучаемым веществом стали хлорид меди (GuCl) и хлорид серебра (AgCl). Во втором эксперименте исследовалась кристаллизация бромида одновалентной ртути (Hg2Br2) из раствора в эвтектическом расплаве с бромидом двухвалентной ртути (HgBr2), обладающим чрезвычайно высокими значениями параметра связи в кристаллической решетке.

В третьем эксперименте изучалось затвердевание и образование стекловидной системы, представленной полупроводниковым стеклом с тетраэдрической структурой решетки (в состав системы входили атомы германия, сурьмы и серы). Цель этого эксперимента заключалась не только в определении условий образования стекла в состоянии невесомости, но также в изучении процессов зародышеобразования и разделения фаз, протекающих в стеклянной матрице, и определении влияния этих процессов на основные физические характеристики получаемых материалов.

Коротко об условиях проведения экспериментов. Установка «Сплав» была размещена вблизи корпуса орбитальной станции, неподалеку от центра тяжести всего научного комплекса. В ходе экспериментов весь орбитальный комплекс ориентировался так, чтобы его продольная ось была направлена к центру Земли.

Для повышения «чистоты» эксперимента в наиболее ответственные периоды кристаллизации на орбитальном комплексе выключались все системы и агрегаты, вызывающие колебания станции, сводились к минимуму даже перемещения космонавтов. Поэтому в эти решающие для эксперимента периоды времени сила тяжести по всем трем направлениям была несущественной и составляла не более 10-6—10-7 g.

Образцы исследуемых материалов находились в кварцевых ампулах (в условиях вакуума), размещенных в контейнере, представляющем собой герметичный стальной цилиндр длиной 172 мм и диаметром 17 мм. После помещения контейнера в цилиндрическую полую печь установки начиналось нагревание образцов с таким расчетом, чтобы температура в контейнере росла до тех пор, пока не достигала величины выше точки плавления исследуемых материалов.

Максимальный нагрев в экспериментах «Морава» достигал 500 °C. После достижения максимальной температуры началось ее регулируемое снижение. Причем максимальная температура достигалась примерно через 24 ч после начала эксперимента, а затем в режиме охлаждения возникал процесс затвердевания. Охлаждение длилось около 20 ч со скоростью примерно 11 °C в час. Таким образом, весь рабочий цикл составлял около двух суток.

Одновременно в ЦПК им. Ю. А. Гагарина специалисты СССР и ЧССР провели наземную часть экспериментов. Она по своей сути обратна космической: если в космосе нужно было свести к минимуму силу земного тяготения, то здесь с помощью центрифуги исследовались рост и направленное затвердевание кристаллических материалов при различных перегрузках. Располагая контейнер с исходным веществом то по вектору углового ускорения, то перпендикулярно ему, специалисты сравнивали структуру и свойства материалов, полученных при различных направлениях перегрузки.

Наземный эксперимент на центрифуге был осуществлен на установке «Кристалл», работающей по методу направленной кристаллизации. Однако в отличие от установки «Сплав» процесс здесь происходит в условиях фиксированного теплового поля, а изменение зон нагрева достигается перемещением ампулы с материалом, которое осуществляется механически в соответствии с требуемой программой. Сопоставление результатов всего комплекса экспериментов «Морава» помогло определить зависимость свойств материалов от гравитационных условий их получения и выработать рекомендации по созданию перспективных технологических соединений.

Микроскопическое исследование структуры материалов, полученных одновременно в условиях космического полета и на Земле (при прочих идентичных условиях), показывает, что кристаллы, выращенные в космосе, меньше, чем аналогичные кристаллы, полученные на Земле. Причина заключается в том, что в космосе миграция ионов в расплаве происходит лишь путем диффузии: именно такое влияние оказывает невесомость на процесс зародышеобразования и роста кристаллов из жидкой фазы. Влияние же невесомости на эвтектические растворы противоположно: кристаллы обеих фаз эвтектики больше, чем полученные на Земле.

Процесс затвердевания кристаллов в космосе подвержен влиянию микрогравитации. И хотя она была мала в этом эксперименте, но все же на внешней поверхности образца можно заметить следы воздействия радиальной составляющей микрогравитации, зарегистрированной в ходе эксперимента. Оказывается, что поле тяготения порядка 10-6 g достаточно, чтобы повлиять на конфигурацию атомов в исследованной расплавленной системе, а также на процесс затвердевания.

В экспериментах «Сирена» (СССР-ПНР) изучался процесс направленной кристаллизации в полупроводниковых материалах, получаемых из жидкой фазы в условиях невесомости. В качестве исследуемых материалов в экспериментах «Сирена» были выбраны тройные полупроводники «ртуть — кадмий — теллур» (CdHgTe), «кадмий-ртуть — селен» (CdHgSe) и «свинец — селен — теллур»;(PbSeTe).

Эти материалы в течение многих лет тщательно изучаются в Институте физики Академии наук ПНР, сотрудники которого много сделали для выяснения физических характеристик материалов этого типа и возможностей их применения. Полупроводники, в состав которых входят названные элементы, характеризуются высокой чувствительностью и малой инерционностью. В настоящее время они считаются наилучшими детекторами инфракрасного излучения, способными работать в диапазоне длин волн около 10 мкм, т. е.