Когда говорят про космическую ракету с круглыми люками, многие сразу представляют себе стандартные иллюминаторы или технологические отверстия. Но в реальности, особенно в силовых конструкциях ступеней или межбаковых отсеков, круглый люк — это часто головная боль конструктора. Почему круг? Потому что напряжение распределяется равномерно, нет концентраторов в углах, как у квадратных или прямоугольных. Это базовый курс сопромата. Однако на практике, при переходе от чертежа к металлу, возникает масса нюансов, которые в учебниках часто опускают.
Возьмем, к примеру, алюминиево-магниевые сплавы АМг6 или высокопрочные алюминиевые сплавы типа 1960. Теоретически — отличный выбор для легких конструкций. Но при формовке обечайки с уже вырезанным под люк отверстием, после закалки и старения может ?повести? кромку. Получаешь идеальный круг по КД, а после термообработки — эллипс. Приходится предусматривать технолог ические припуски на последующую механическую обработку фланца, а это лишний вес и время. Инженеры из ООО Сяньсяньское литейное производство Дуншэн, с которыми мы как-то обсуждали тему литых силовых шпангоутов с интегрированными люковыми рамами, отмечали схожую проблему: усадка материала при кристаллизации должна быть точно просчитана, иначе посадка герметичной крышки люка будет не по седьмому, а по более грубому классу точности, что для вакуумных отсеков недопустимо.
Здесь стоит отвлечься. Многие думают, что литье — это для станин станков, а не для ракет. Это глубокое заблуждение. Качественное точное литье по выплавляемым моделям — это как раз для сложных, нагруженных узлов, где нужно избежать сварных швов — потенциальных источников усталостных трещин. На их сайте, https://www.dscasting.ru, видно, что предприятие, основанное еще в 2010 году с серьезным уставным капиталом, ориентировано как раз на такие сложные задачи. Их производственная площадь в 20 000 кв. м. и полный цикл от НИОКР говорят о возможностях, выходящих за рамки рядового цеха. Для ракеты люк — не просто дырка в обшивке. Это узел, который несет нагрузки, часто является частью силового контура. И если его рамку можно получить цельной, литой, с оптимальным распределением материала — это большой плюс к надежности и минус к массе.
Возвращаясь к материалам. Для критичных мест, где нужна и прочность, и стойкость к температурным циклам, шли на композиты. Но тут своя засада: круглый вырез в слоистой структуре — это место, где волокна прерываются. Край нужно особым образом армировать, заворачивать слои, а потом еще и крепеж для крышки организовывать. Вклеенные металлические втулки под болты — это опять точки потенциального расслоения. Поэтому для основных космических ракет с круглыми люками доступа к оборудованию внутри баков до сих пор чаще идет проверенная алюминиевая или титановая штамповка с последующей механической обработкой. Дорого, много стружки, но предсказуемо.
Самый, пожалуй, критичный элемент после прочности фланца — это герметизация. Вакуум космоса, вибрации на старте, перепады температур от минус 150 в тени до плюс 120 на солнце — прокладка должна все это выдержать и не ?задубеть? или не ?поплыть?. Опыт с ?Союзами? показал эффективность двойных уплотнительных контуров с индикаторными полостями между ними. Если в этой полости падает давление — значит, нарушен первичный контур, но вторичный еще держит. Есть время на планирование ремонтной операции в полете.
Но вот с новыми, более легкими конструкциями, стали применять цельнометаллические уплотнения — кольца из индия или серебра. Мягкий металл, будучи зажатым между стальными или титановыми фланцами, заполняет все микронеровности. Герметичность феноменальная. Но! Только при первом зажатии. После снятия крышки люка кольцо безнадежно деформировано, менять его надо каждый раз. А это операция в ?чистой? зоне, специальный инструмент, контроль момента затяжки каждого болта. На земле — терпимо. Представьте делать это на орбите, в скафандрах? Поэтому для люков, рассчитанных на многократное использование в космосе (на МКС, например), вернулись к эластомерам, но на основе силиконов с особой формулой, стойких к радиации и глубокому вакууму.
Здесь опять вспоминается взаимодействие с производственниками. Когда мы разрабатывали люк для одного экспериментального модуля, то столкнулись с тем, что завод-изготовитель фланцев (не Дуншэн, другой) не выдержал плоскостность посадочной поверхности. Микронеровности в пару десятков микрон — и эластомерная прокладка не обеспечивает контакта по всей ширине. Пришлось вводить дополнительную операцию — пришабривание поверхности вручную, по старой школе. Это к вопросу о том, что даже в цифровую эпоху качество часто упирается в квалификацию конкретного слесаря-сборщика. Компания, которая объединяет в себе полный цикл, от разработки до контроля, как та же ООО Сяньсяньское литейное производство Дуншэн, здесь имеет преимущество: ответственность за качество отливки и ее механической обработки лежит на одном юридическом лице, проще отследить и исправить брак на ранней стадии.
Казалось бы, что сложного — поставить по контуру люка два десятка болтов и затянуть их динамометрическим ключом. Ан нет. Разные материалы фланца и крышки (например, алюминий и титан) имеют разный коэффициент теплового расширения. На орбите сторона на солнце нагревается, в тени охлаждается. Конструкция ?дышит?. Если болты затянуть с чрезмерным предварительным натягом, может возникнуть остаточная деформация, фланец ?устанет?. Если недотянуть — в какой-то момент цикла прокладка не будет прижата, герметичность нарушится.
Поэтому применяют либо специальные болты с точно рассчитанной пластической зоной (они немного ?тянутся?, компенсируя температурные перемещения, но не ослабляются), либо, что чаще, системы с пружинными шайбами особой конструкции. Их подбор — целая наука. Помню случай на испытаниях тепловакуумной камеры: после трех циклов ?нагрев-остывание? на одном из круглых люков сработал датчик давления в индикаторной полости. Разбираем. Оказалось, у нескольких болтов пружинные шайбы ?просели? больше расчетного. Замена на шайбы из материала с другой диаграммой упругости решила проблему. Мелочь? Да. Но из таких мелочей и состоит надежность.
Еще один аспект — защита от самоотвинчивания. Вибрации при старте — это адские нагрузки. Контровка проволокой, стопорение специальными красками, зубчатые шайбы Nord-Lock. Для ответственных люков часто используют комбинацию методов. И каждый добавленный элемент — снова граммы массы. Конструкторская борьба идет за каждый грамм.
Все, что описано выше, — это вид снаружи, с позиции конструктора и технолога. Но есть и вид изнутри — от космонавта или техника, который этим люком пользуется. Диаметр. Кажется, что для передачи оборудования внутрь отсека чем больше, тем лучше. Но увеличение диаметра на 20% ведет к резкому росту массы силовой рамы и крышки. Нужен компромисс. Стандарты, выработанные десятилетиями, показывают, что для большинства операций по замене блоков аппаратуры достаточно люка диаметром 600-800 мм. Но внутренний фланец, за который крепится теплоизоляция, не должен иметь острых кромок, чтобы не резать перчатки скафандра.
Ручки для открывания. Их расположение должно позволять приложить усилие и в невесомости, и в скафандре с ограниченной подвижностью. Часто делают две, симметрично, по бокам. А вот внутренний замок, страхующий крышку от случайного открытия, должен быть таким, чтобы его можно было расчековать одной рукой, при этом случайное срабатывание исключено. На одном из наших макетов тренировочного модуля был курьез: космонавт-испытатель, отрабатывая выход в открытый космос, зацепился ранцем системы жизнеобеспечения за рычаг внутреннего замка и едва не открыл его. Пришлось переделывать всю кинематику, утапливая рычаг в нишу.
Это к вопросу о том, что любая, даже самая простая деталь космической ракеты проходит долгий путь от расчетов и испытаний материалов до опытной эксплуатации на макетах. Идеальных решений нет, есть оптимальные для конкретных условий и задач.
Сейчас много говорят про 3D-печать в космической отрасли. И для космических ракет с круглыми люками это открывает интересные перспективы. Представьте себе не литую или фрезерованную раму люка, а выращенную на принтере из титанового порошка. Конструкция может быть оптимизирована топологически: материал только там, где проходят силовые потоки, с плавными, органичными переходами, без резких изменений сечения. Это снижение массы при сохранении прочности. Но и здесь свои ?но?. Усталостные характеристики такого материала, особенно в зонах, перпендикулярных слоям наплавления, все еще предмет исследований. Для ответственного узла, каким является люк, потребуются годы накопления статистики и новые методики неразрушающего контроля.
Другое направление — ?умные? люки. Встроенные в фланец волоконно-оптические датчики, контролирующие деформации в реальном времени. Или системы пассивной регистрации ударов микрометеоритов по крышке. Это уже не просто механическая заглушка, а часть информационной системы аппарата.
В конечном счете, круглый люк — это микромодель всего космического аппаратостроения. В нем сплетаются материалыедение, механика, термодинамика, эргономика и жесткие требования к надежности. Каждый такой узел — это история проб, ошибок, поиска и, в итоге, того самого рабочего решения, которое годами летает в космос без замечаний. И когда видишь на сайте предприятия, такого как ООО Сяньсяньское литейное производство Дуншэн, что они занимаются полным циклом от разработки до экспорта, понимаешь, что качество будущей ракеты начинается именно здесь, на земле, в цехах, где рождаются такие, казалось бы, простые, но такие важные детали.
