«Вулкан» – покоритель невесомости

Валерий Кубасов и Георгий Шонин изучают установку для сварки в космосе «Вулкан».  Фото из книги «Мировая пилотируемая космонавтика: История. Техника. Люди». 2005

Из искры…

В 1802 году российский ученый Владимир Петров открыл явление электрической дуги и усмотрел в этом возможность ее применения для пайки металлов. Также в России, в 1882 году, инженер Николай Бенардос изобрел электрическую сварку с применением угольных электродов и запатентовал свое изобретение во всех европейских странах. Инженер Николай Славянов в 1888 году изобрел сварку плавящимся металлическим электродом под слоем флюса, за что получил золотую медаль на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году.

По-настоящему роль сварки проявилась в Советском Союзе в период индустриализации. В 1932 году Константин Хренов впервые в мире осуществил дуговую сварку под водой. В январе 1934 года было принято Постановление об организации в Киеве Института электросварки (ИЭС), первым директором которого был утвержден известный инженер – мостостроитель Евгений Патон.

На самом пороге надвигающейся войны советская промышленность получила технологию автоматической сварки стали, не имевшую аналогов в мире, что сыграло важную роль при массовом производстве танковых корпусов.

Таким образом, выход сварочных технологий в космос не был случайностью.

Подбираясь к «Вулкану»

Все это прекрасно понимал главный конструктор космических систем Сергей Павлович Королев, размышлявший о космической индустрии.

Отвечая на вопрос о необходимости выхода человека в открытый космос, академик Королев в марте 1965 года, перед полетом космического корабля «Восток-2», сказал: «…мы, например, думаем всерьез над тем, что космонавт, вышедший в космос, должен уметь выполнить все необходимые ремонтно-восстановительные работы, вплоть до того, что произвести нужную там сварку…»

В 1964 году главным конструктором была поставлена задача – разработать программу экспериментов по сварке в космических условиях. Вот текст телеграммы, направленной Королевым своим заместителям.

«29 ноября 1964 года

Предлагаемый проект программы и совместного плана работ по теме «Сварка в космических условиях» между ОКБ и Институтом им. Е.О. Патона АН УССР может быть положен в основу договора между названными организациями.

Особенный интерес представляет четвертый этап работы, но он почему-то затянут окончанием на 1967 и на 1968 годы. Это недопустимо поздно! Надо план работ построить пока что поначалу на два года: 1965-й и 1966-й. И можно предусмотреть на осень 1966-го совместное обсуждение результатов и по итогам – продление наших работ еще на два года: 1967-й и 1968-й.

В проекте плана недостаточно уделяется внимания энергетике, необходимой для сварки в особых условиях, и в частности использованию солнечных концентратов и других источников. Этот раздел надо сделать самостоятельным и сильно развить его. Работы надо начинать немедленно.

В плане совершенно нет конкретных работ по сварке в особых условиях даже через два года. Хотелось бы сварить хотя бы в 1966 году что-то получше для наших объектов, может быть, тот же концентратор либо емкость, может быть, шлюз для выхода, раму для установки приборов для наружных наблюдений и даже для той же сварки.

Словом, надо подумать, как быстрее перейти от исследования простых образцов к делу, пусть небольшому на первых порах.

Считаю, что просимый институтом вес сварочных устройств в целом можно довести до 25 кг и оговорить, что исходные данные каждого опыта, в том числе и вес, взаимно согласовываются.

Надо оговорить, что в программу и в принятый план по взаимному согласованию могут вноситься необходимые изменения и дополнения.

Прошу вас как можно скорее мои замечания сообщить в Институт сварки, еще до отъезда академика Б.Е. Патона в командировку, и получить его согласие.

Прошу также передать ему лично мои добрые пожелания».

Оперативно был составлен совместный план работ ОКБ-1 и Института электросварки (ИЭС) имени Е.О. Патона АН УССР. Этим было положено зарождение новой научно-технической отрасли – космической технологии. До начала этих исследований не существовало ни технологий обработки расплавленных металлов в условиях микрогравитации, ни научной литературы о возможностях выполнения каких-либо технологических процессов в космосе.

Проведению космического эксперимента предшествовали исследования на Земле в условиях, имитирующих космические (микрогравитация, вакуум, переменная освещенность, градиент температур, ультрафиолетовое излучение). Все эти факторы воспроизводились на специально созданной установке, адаптированной для функционирования в режиме микрогравитации в салоне самолета-лаборатории Ту-104К в Летно-испытательном институте им. М.М. Громова. Ведущим инженером летных испытаний от ОКБ-1 был В.В. Аксенов. В полетах на установке работали сотрудники ИЭС А.А. Загребельный, О.С. Цыганков, В.А. Чалов, А.Е. Марченко.

Чрезвычайно интересно было первыми наблюдать процессы, которых никто еще не видел: плавление и поведение жидкого металла в условиях микрогравитации. По результатам серии полетов с гермовакуумной установкой на борту был сделан положительный вывод о возможности реализации сварочных процессов в космических условиях.

В сентябре 1965 года на специальном совещании в ОКБ-1, которое провели Сергей Королев и Борис Патон, были рассмотрены отчет и кинофильм об исследовании в условиях микрогравитации процессов плавления и сварки. На совещание были приглашены кроме специалистов космонавты Юрий Гагарин, Герман Титов, Павел Попович, Владимир Комаров и другие.

К 1967 году завершены разработка и изготовление собственно установки «Вулкан», которая прошла не одну модификацию. Затем в течение почти двух лет проводились многофакторные испытания конструктивно подобных и летного образца.

Индустриализация космоса

Многие новаторские технические решения на уровне изобретений были воплощены специалистами ИЭС в экспериментальной сварочной установке «Вулкан». Она была оснащена устройствами для электронно-лучевой сварки, сварки сжатой дугой низкого давления и сварки плавящимся электродом, а также устройством для ручной контактной точечной сварки и имитатором ручной сварки электронным лучом.

Участие специалистов ОКБ-1/ЦКБЭМ (прежние названия нынешней ракетно-космической корпорации «Энергия») в подготовке космического эксперимента «Вулкан» также было всесторонним и объемным: интеграция в конструкцию космического корабля «Союз», консультации и рекомендации по выбору двигателей, источников питания, видов испытаний, совместная подготовка экипажа… Эффективность работ поддерживалась полным взаимопониманием между научно-техническими коллективами, а также экипажем.

В понятие «сварочные операции» входят нагрев, плавление, пайка, нанесение покрытий и резка материалов. В космосе выполнение этих процессов усложняется особенностями окружающей среды – микрогравитацией, вакуумом, экстремальными температурами. Первый в истории технологический эксперимент в космосе был проведен 16 октября 1969 года на установке «Вулкан» по сварке и резке металлов в разгерметизированном бытовом отсеке космического корабля «Союз-6» с участием космонавтов Георгия Шонина и Валерия Кубасова.

Один из ключевых вопросов в области термической обработки материалов – выбор способа их нагрева. Наиболее перспективным способом был признан электронно-лучевой. В процессе создания сварочного оборудования были разработаны и испытаны различные модификации электронно-лучевых пушек. Эффективным архитектурно-компоновочным решением стали объединение и изоляция всех высоковольтных элементов, цепей и пушки в моноблоке, заливаемом эпоксидным компаундом. Этим обеспечивалась локализация источников потенциальной опасности.

Не все в эксперименте «Вулкан» получилось идеально. Некоторые способы cварки, запланированные для космических условий, пришлось пока отсеять. Но данные, полученные в этом эксперименте, заложили основу конструирования сварочных установок, предназначенных для технологических операций в космическом пространстве.

Это было подтверждено дальнейшими успешными экспериментами в области сварки и родственных технологий в космосе, реализованными в 1982 и 1984 годах. Тогда были проведены опыты по полуавтоматической сварке, пайке и резке материалов космонавтами Светланой Савицкой и Владимиром Джанибековым, Владимиром Соловьевым и Леонидом Кизимом в открытом космосе.