К началу 60-х годов СССР и США, в соперничестве друг с другом, далеко опередили другие страны в развитии практической космонавтики. Уже в это время была начата разработка первых проектов длительно действующих космических орбитальных станций. Естественно, именно тогда возникла мысль, что для их создания, обслуживания и ремонта будет необходима сварка в космосе.
К сожалению, специфика тех лет заключалась в том, что соперничество двух стран не только привело к бурному развитию космонавтики, но и заставляло немедленно засекречивать все новые исследования, направленные на освоение космического пространства. Поэтому сейчас мало что известно о практической реализации в те годы наших научно-исследовательских работ о сварке в космосе. Первые публикации носили чисто популяризаторский характер. Однако уже в этих работах в качестве наиболее перспективной для космических условий называлась электронно-лучевая сварка.
По-видимому, сейчас представляет интерес более подробная информация о развитии в этот период работ по сварке в космосе в СССР.
Инициатором использования сварки для строительства и ремонта космических аппаратов был академик С. П. Королев — руководитель головного конструкторского бюро по космической технике (сейчас РКК “Энергия”) в г. Королеве Московской области. Уже в 1963 г., прогнозируя будущее развитие космонавтики, он серьезно обсуждал вопросы строительства и ремонта орбитальных станций, проблемы работы человека в открытом космосе, возможность использования в космосе сварочных процессов. Обсуждались также особенности космоса как окружающей среды для выполнения сварочных работ.
С. П. Королев поставил перед Институтом электросварки им. Е. О. Патона задачу исследовать эти проблемы. Институтом совместно с Конструкторским бюро С. П. Королева в 1964 г. была разработана комплексная программа исследований особенностей выполнения сварки и родственных технологий в космосе. Был создан совместный творческий коллектив, который со стороны Института электросварки им. Е. О. Патона возглавил Г. П. Дубенко, а со стороны Конструкторского бюро — Н. Г. Сидоров. К исследованиям были привлечены ведущие ученые Института электросварки им. Е. О. Патона — Д. А. Дудко, В. К. Лебедев, И. К. По- ходня, Б. А. Мовчан, В. Е. Патон, В. Н. Вернадский, О. К. Назаренко, В. Г. Фартушный, Ю. Н. Ланкин и Конструкторского бюро — М. В. Мельников, М. К. Ти- хонравов, А. А. Северов, И. И. Райков, Я. И. Трегуб, В. К. Гришин, В. П. Никитский. В состав коллектива вошли также ученые Института электродинамики НАН Украины Ю. И. Драбович и Н. Н. Юрченко.
Исследования начались в том же, 1964, году. Программой предусматривалось несколько этапов.
На первом этапе разрабатывалась экспериментальная сварочная аппаратура для нескольких наиболее перспективных в условиях космоса способов сварки. Характерно, что эта аппаратура сразу же рассчитывалась на энергопитание от автономных аккумуляторных батарей, имитирующих бортовую сеть космических аппаратов. Одновременно разрабатывались исследовательские вакуумные стенды, которые в максимальной степени должны были имитировать условия космоса.
На втором этапе проводились исследования нескольких способов сварки в наземных лабораториях с использованием экспериментального оборудования и исследовательских вакуумных стендов. Это позволило в какой-то мере имитировать космический вакуум и свойственные космосу интервалы температуры. На этом же этапе исследовалась возможность использования в космосе различных защитных и плазмообразующих газов, определялись оптимальные режимы сварки, резки и других технологических процессов.
На третьем этапе исследования проводились уже с использованием средств, принятых при испытаниях космических аппаратов и тренировке космонавтов. Это летающая лаборатория, позволяющая многократно кратковременно воспроизводить состояние невесомости, и большие барокамеры, которые давали возможность намного полнее имитировать работу в открытом космосе. В них размещались сварочные аппаратура и испытательные стенды.
Наконец, четвертый этап — это испытание сварочной аппаратуры и технологий уже непосредственно в космосе.
Разработанная в Институте электросварки им Е. О. Патона программа начала реализовываться в 1965 г. Вначале никаких публикаций об этих работах не было. Научно-технические статьи, посвященные проблеме сварки в космосе, начали печататься в советских журналах лишь после проведения в 1969 г. первых космических сварочных экспериментов [2, 19, 30, 31, 32, 48]. Однако в американских и европейских журналах проблема сварки в конце 60-х годов обсуждалась все более широко.

Screenshot_77

Рис. 1.4. Наземные исследования (в) и космические эксперименты (б) по сварке, выполненные Институтом электросварки им. Е. О. Патона на протяжении 1965—1990 гг.

Но о разработке в США в этот период какой-либо комплексной программы исследований данных в журнальных статьях не имеется. Разработанная в СССР программа исследований активно продолжалась, развивалась и совершенствовалась до 1991 г. За этот период выполнено огромное количество экспериментов, испытано множество образцов космической сварочной аппаратуры и различных технологических процессов. И все это время изложенная выше этапность исследований сохранялась неизменной, так как позволяла в наилучшей степени подготовиться к работам в космосе. На рис. 1.4 показан объем исследований, выполненных Институтом электросварки им. Е. О. Патона с 1965 по 1990 гг. в условиях, имитирующих космические, и в космосе. Кратко остановимся на наиболее важных и интересных из них.

Предварительные исследования на Земле
Как уже упоминалось, для проведения первых космических исследований в Институте электросварки им. Е. О. Патона был создан специальный творческий коллектив, который приступил к созданию экспериментального оборудования и разработке основ технологии сварки, резки и нанесения покрытий в космосе. Процессы пайки в космосе начали исследоваться на более поздних этапах.
Разработка экспериментальной аппаратуры проводилась под руководством В. Е. Патона. Основные работы выполнялись В. В. Стесиным, А. А. Загребельным и О. С. Цыганковым. Системы электропитания создавались И. И. Зарубой, В. Д. Шелягиным, Ю. И. Драбовичем и
Н. Н. Юрченко, системы управления и телеметрии — Ю. Н. Ланкиным, Ю. А. Масаловым и Е. Н. Байштруком.
Исследовались следующие способы сварки:
• электронно-лучевая (О. К. Назаренко, В. И. Чалов);
• дуговая с плавящимся электродом (И. К. Походня,
А. Е. Марченко, Ю. Д. Морозов, В. И. Пономарев);
• плазменная (Д. А. Дудко, С. П. Лакиза);
• контактная точечная (Г. В. Горбунов, А. И. Берзин);
• контактная местным оплавлением (Г. В. Горбунов; В. В. Юматов, В. Ф. Берестян).
Для проведения исследований в наземных и летающих лабораториях (рис. 1.4,а) были разработаны и изготовлены специальные испытательные стенды.
Такой универсальный стенд показан на рис. 1.5. Его рабочая термобарокамера 1 представляет собой цилиндрический сосуд из нержавеющей стали, имеющий откидную крышку 2. Корпус камеры имеет фланец 8 для присоединения высоковакуумного адсорбционно-гетгерного откачного агрегата 7, позволяющего получать без- масляный вакуум. Этот агрегат обеспечивает разрежение до 10-5 Па и прекрасно работает в условиях невесомости. На корпусе имеются также иллюминаторы 6 для наблюдения кино- или телерегистрации, гермоввод 9 для подключения электропривода и клапан 10 для вы- давления.
Откидная крышка 2 имеет горловину 5 с сильфонным корректором для установки сменных сварочных устройств, иллюминаторы 3 для кино- или телерегистрации и гермовводы 4 для датчиков давления.
Рабочая камера приспособлена для установки различных источников нагрева (электронно-лучевого, плазменного, дугового с плавящимся электродом или зеркально-лучевого) мощностью до 1 кВт.

Screenshot_78

Рнс. 1.6. Размещение термовакуумного стенда с зеркально-лучевым источником нагрева в салоне летающей лаборатории

Рис. 1.7. Размещение термовакуумных стендов в салоне летающей лаборатории

Рис. 1.7. Размещение термовакуумных стендов в салоне летающей лаборатории

Эти источники нагрева малогабаритны, надежно работают в вакууме и позволяют производить нагрев, сварку, пайку, нанесение покрытий, резку и плавку металлов и сплавов в автоматическом режиме. Комбинированный адсорбционно-геттерный высоковакуумный агрегат при работе охлаждается жидким азотом и не потребляет электроэнергии. В случае необходимости жидкий азот может быть использован и для создания в рабочей камере низкой температуры. Высокая температура может создаваться зеркально-лучевым источником нагрева (рис. 1.6). Режимы выполняемых технологических процессов регистрируются осциллографами, теле- или кинокамерами, в том числе скоростными (до 5000 кадров/с).

Рис. 1.8. Первая сварочная космическая установка "Вулкан”: 1 — негерметичный отсек; 2 — герметичный отсек; 3 — вращающийся стол с образцами; 4 — дистанционный пульт управления

Рис. 1.8. Первая сварочная космическая установка «Вулкан”:
1 — негерметичный отсек; 2 — герметичный отсек; 3 — вращающийся стол с образцами; 4 — дистанционный пульт управления

Электропитание стенда и всей вспомогательной аппаратуры может осуществляться в полете от бортовой электросети самолета или от ее наземного имитатора.
В 1965 г. на этих стендах исследовались в наземных лабораториях процессы и малогабаритные сварочные устройства электронно-лучевой сварки, сварки сжатой плазменной дугой низкого давления с полым катодом и дугой с плавящимся электродом. Мощность электронного луча составила 600 Вт, а дуговых устройств — 1 кВт. Электронным лучом сваривались в вакууме различные соединения из нержавеющей стали, титановых и алюминиевых сплавов толщиной 0,8…2,0 мм. Производилась резка этих же материалов толщиной 0,8… 1,0 мм.
Сжатой плазменной дугой с полым катодом сваривались в вакууме титановые сплавы и нержавеющие стали толщиной 1,0.к4т5~мм; Производилась резка этих же материалов толщиной до 1 мм. Дугой с плавящимся электродом в контролируемой атмосфере аргона производилась сварка нержавеющей стали толщиной 1 мм. Все эксперимента выполнялись при комнатой температуре.
В этом же году были проведены первые 10 полетов на летающей лаборатории ТУ-104. Для этого в салоне лаборатории были размещены три испытательных стенда (рис. 1.7). Каждый из стендов предназначался для исследования одного из перечисленных выше методов сварки. В ходе полетов было проведено 50 режимов микрогравитации, во время которых воспроизводились ранее отработанные на Земле режимы сварки каждым из способов. Затем проводился сравнительный анализ полученных результатов. Эти исследования позволили создать первую экспериментальную автоматическую установку “Вулкан” для сварки в космосе (см. параграф 1.6).
В 1966 г. производились исследовательские работы с этими же установками в наземной барокамере большого объема, что позволило с известным приближением воспроизвести на Земле условия космического вакуума.
В 1967—1969 гг. малогабаритные сварочные устройства испытывались на летающей лаборатории с использованием вакуумных стендов уже в составе экспериментальной космической сварочной установки (рис. 1.8) “Вулкан”.
После проведения в конце 1969 г. первого космического эксперимента по сварке на установке “Вулкан”, о котором более подробно будет рассказано ниже, исследовательские работы на летающей лаборатории и наземных барокамерах продолжались. Последующее десятилетие характеризуется большой интенсивностью этих работ.
Стало ясно, что для успешного решения поставленных задач необходимо проведение систематических исследований в тесном сотрудничестве со специалистами космической отрасли и испытателями космической техники. Для этой цели в Институте электросварки им. Е. О. Патона было создано специальное подразделение, которое в последующие годы непрерывно пополнялось и расширялось.

Рис. 1.10. Один из первых инструментов для ручной электронно-лучевой сварки в космосе.

Рис. 1.10. Один из первых инструментов для ручной электронно-лучевой сварки в космосе.

Рис. 1.9. Автоматическая сварочная установка “Вулкан-2”

Рис. 1.9. Автоматическая сварочная установка “Вулкан-2”

Рве. 1.11. Один из вариантов ручного инструмента для плазменной сварки в космосе.

Рве. 1.11. Один из вариантов ручного инструмента для плазменной сварки в космосе.

Рис. 1.12. Один из вариантов ручного инструмента для дуговой сварки с плавящимся электродом в космосе.

Рис. 1.12. Один из вариантов ручного инструмента для дуговой сварки с плавящимся электродом в космосе.

В разные годы значительный вклад в развитие космической технологии, космической сварочной аппаратуры и больших космических конструкций внесли сотрудники подразделения В. В. Стесин, С. С. Гавриш, В. Ф. Шулым, А. Р. Булацев, И. Г. Любомудров, Б. И. Перепеченко, В. А. Крюков, П. П. Русинов, В. В. Демьяненко, М. И. Морейнис.
Особо надо отметить А. А. Загребельного, который стал блестящим испытателем космической сварочной аппаратуры и бессменно руководит всеми ее испытаниями как на Земле, так и в космосе.
Очень интересное направление исследований — преобразуемые оболочечные конструкции — создал
В. М. Балицкий. В развитие этого направления большой вклад внесли В. Н. Самилов, О. Ю. Гончар, И. С. Пилишенко.
Все исследования и эксперименты проводились в тесном сотрудничестве со специалистами РКК “Энергия” В. П. Никитским, Г. В. Жуковым, В. И. Бержатым, Б. Н. Свечкиным, А. В. Марковым, Д. Н. Суриным. Огромный вклад в исследования внесли специалиста и испытатели завода “Звезда” Г. И. Северин, Б. В. Михайлов, В. И. Сверщек и Центра подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина С.А. Киселев, Н. А. Муляров, Е. А. Иродов.
Такая организация работы позволяла в короткие сроки создавать, испытывать и сравнивать между собой различные образцы космической сварочной аппаратуры и различные технологии.
Были разработаны, изготовлены и испытаны новый образец автоматической сварочной установки “Вулкан-2” (рис. 1.9), в состав которого были включены лишь два способа сварки — электронно-лучевая и вакуумно-дуговая плавящимся электродом, и комплект ручных инструментов для сварки в космосе, куда входили инструменты для электронно-лучевой сварки (рис. 1.10), плазменной сварки (рис. 1.11) и дуговой сварки плавящимся электродом (рис. 1.12) в космосе. Для работ в заполненных атмосферой герметичных отсеках космических аппаратов был создан специальный бесконтактный световой паяльник (рис. 1.13).

1.12. Один из вариантов ручного инструмента для дуговой сварки с плавящимся электродом в космосе.

1.12. Один из вариантов ручного инструмента для дуговой сварки с плавящимся электродом в космосе.

Испытание этих инструментов потребовало создания специального стенда, оснащенного фрагментом космического скафандра [33].
Герметичная рабочая камера стенда (рис. 1.14) с иллюминаторами для наблюдения, киносъемки и телерегистрации имеет изменяемый объем от 0,8 до 2,0 м3, что позволяет размещать в ней достаточно крупные объекты.
Для выполнения ручных операций на передней стенке рабочей камеры установлен фрагмент космического скафандра, который дает возможность обеспечить любой требуемый перепад давлений для имитации фактических условий работы космонавта. Гермошлем скафандра снабжен набором сменных светофильтров, позволяющих работать с объектами различной яркости. Внутри
Рис. 1.12. Один из вариантов ручного инструмента для дуговой сварки с плавящимся электродом в космосе.Рис.
рабочей камеры имеются унифицированные крепежные элементы для фиксации испытываемых объектов.
Для создания и поддержания в рабочей камере необходимого разрежения применена описанная выше вакуумно-откачная система. Однако в данном стенде используются сменные высоковакуумные агрегаты: паромасляный — для наземных работ и адсорбционногеттерный — для испытаний на борту самолета- лаборатории. В комплект стенда в целях резервирования входит по два насоса каждого типа. Система заполнения камеры рабочим газом позволяет создавать требуемый состав остаточной атмосферы и необходимый перепад давлений. Б работе на стенде участвуют оператор и ассистент. Задачей оператора является работа непосредственно с испытываемой аппаратурой или изучаемым процессом соединения материалов. Для этого оператора помещают во фрагмент скафандра (рис. 1.15). В функции ассистента входит обслуживание стенда и регистрирующей аппаратуры (осциллографов, теле- и кинокамер, датчиков и медицинской аппаратуры).

Рис. 1.14. Стенд-тренажер для сварочных работ в условиях, имитирующих космические, с участием оператора:— рабочая камера; 2 — форвакуумный откачной агрегат; 3 — сменный высоковакуумный откачкой агрегат; 4 — система наддува; 5 — система управления, измерения и регистрации параметров

Рис. 1.14. Стенд-тренажер для сварочных работ в условиях, имитирующих космические, с участием оператора:— рабочая камера; 2 — форвакуумный откачной агрегат; 3 — сменный высоковакуумный откачкой агрегат; 4 — система наддува; 5 — система управления, измерения и регистрации параметров

Рис. 1.15. Оператор, снаряженный во фрагмент скафандра, выполняет полуавтоматическую сварку с плавящимся электродом

Рис. 1.15. Оператор, снаряженный во фрагмент скафандра, выполняет полуавтоматическую сварку с плавящимся электродом

Важными эксплуатационными достоинствами этого стенда являются полная безопасность оператора при работе в вакууме, возможность всестороннего медикобиологического контроля его состояния и удобство проведения различных эргономических исследований. Исследования, проведенные с использованием этого стенда в наземных и летающих лабораториях на протяжении 1973—1981 гг., позволили получить богатый экспериментальный материал об особенностях операторской деятельности при выполнении сварочных процессов в

космосе. Была отработана методика выполнения большого количества операций, начиная от вспомогательных (например, переноска и установка аппаратуры) и заканчивая непосредственно выполнением различных процессов сварки вручную. Показано, что такой стенд, оснащенный фрагментом скафандра, является прекрасным тренажерным средством, позволяющим очень хорошо подготовить испытателей и космонавтов к выполнению сварочных работ. Использование стенда при подготовке экипажей позволило в условиях минимальной опасности изучить возможные экстремальные ситуации, найти способы выхода из них и методики работы в космосе, препятствующие возникновению таких ситуаций. В 1975 г. были начаты систематические исследования в наземных и летающих лабораториях процессов нанесения в космосе покрытий методом термического испарения и конденсации веществ. Сложность проблемы заключалась в том, что испарение веществ должно производиться из открытых тиглей. При этом необходимо обеспечить надежное удержание расплавленного вещества в тигле и надежное разделение жидкой парообразной фаз. Сделать это в условиях микрогравитации и космического вакуума очень трудно.
Исследования, выполненные на протяжении 1975— 1979 гг., позволили решить данную проблему. Была разработана технология и аппаратура для проведения таких работ непосредственно в космосе.
Таким образом, к началу 80-х годов была по суш завершена разработка технологий основных видов неразъемного соединения материалов в космосе — сварки, пайки и нанесения покрытий. Был выбран и оптимальный источник нагрева — электронный луч. Одновременно с этим впервые возникли конкретные задачи по монтажу и ремонту в космосе крупногабаритных ферменных и оболочечных конструкций. Соответственно изменился и характер исследований, выполняемых в наземных и летающих лабораториях (см. рис. 1.4). Резко сократилось количество технологических экспериментов на летающей лаборатории. Они проводились лишь
для решения конкретных технологических задач. Одновременно увеличилось количество исследований в наземных барокамерах большого объема.
Работы над большими космическими конструкциями потребовали использования специальных методов их обезвешивания как в процессе монтажа, так и при проверке эксплуатационных характеристик. В качестве одного из методов обезвешивания широко начала использоваться гидролаборатория. В ней отрабатывались главным образом методы сборки и монтажа крупных конструкций с прямым участием человека. Для исследования динамических эксплуатационных характеристик крупногабаритных конструкций использовались в основном механические системы обезвешивания.
Барокамеры большого объема применялись прежде всего для отработки технологии сборки и сварки отдельных узлов конструкций с участием операторов. В частности, большой объем наземных исследований в таких барокамерах был выполнен при разработке электронно-лучевых инструментов.
Характерно, что при этом в барокамерах также использовались локальные механические системы обезвешивания. Обезвешивались и оператор, выполнявший работы, и инструмент, и, в необходимых случаях, обрабатываемое изделие. Такой комплексный подход давал возможность максимально приблизиться к условиям космоса.
Широкое использование в исследованиях комплекса различных методов имитации условий космического пространства, их сочетание и дублирование обеспечивало высокую надежность подготовки и проведения завершающего этапа каждой из проводимых работ — испытаний непосредственно в натурных космических условиях (см. рис. 1.4, б).