100 рассказов о стыковке

Чтобы при длительном полете в невесомости поддержать свой организм, привыкший преодолевать земную тяжесть, космонавты стали ежедневно ходить, бегать и прыгать на орбите. Бег на месте («общепримиряющий», по В. Высоцкому, без обгона) на специально оборудованной беговой дорожке неожиданно превратился, пожалуй, в самое тяжелое испытание для конструкции станции. Как это бывает на гибком мосту, космонавты, бегая по дорожке, стали раскачивать станцию, причем число колебаний постепенно накапливалось и вскоре переваливало за миллионы.

И, наконец, при стыковке вся конструкция, образно говоря, вздрагивала от соударения корабля и станции. Когда второй корабль стыковался к противоположному причалу, первый, уже пристыкованный, чувствовал динамику стыковки, а эти нагрузки оказались самыми большими по амплитуде.

Особенностью всех этих нагрузок являлся их динамический характер. При анализе возникали две существенные проблемы: как определить величину динамических сил и как определить прочность при циклическом, многократном нагружении, когда проявлялась усталость материалов.

Во многих областях техники, в первую очередь для подвижных аппаратов, таких как самолеты, корабли, автомобили, эти проблемы являются типичными. Инженеры учитывают эти нагрузки при помощи так называемого коэффициента динамичности. Например, автомобиль весит одну тонну, а на неровной дороге на его подвеску действует сила до 1500 килограмм, этот коэффициент равен 1,5. Другой пример: вес самолета 100 тонн, при посадке на Землю на шасси действует нагрузка в 200 тысяч килограмм — значит, коэффициент динамичности равен 2. Пример из области стыковки: при столкновении корабля и станции может возникнуть сила в 1,5 тонны. На такую нагрузку рассчитывается стыковочный механизм. Как нагружается при этом стык второго корабля? Это непростая задача. Даже дать определение коэффициенту динамичности непросто, а вычислить его еще сложнее.

Это типичная задача, для решения которой нужны математические модели и компьютеры. Для расчета требуется задаться некоторыми характеристиками конструкции и начальными условиями, которые заранее, на Земле, не известны. Поэтому результаты моделирования могут быть консервативными (максимальные оценки) или слишком оптимистичными (оценки минимальные). Проверить эти данные экспериментально в полете сложно, да и единичный, случайный эксперимент может почти ничего не доказать.

Чтобы космические системы и конструкции стали надежными, их дублируют, вводят резервы. Корпуса кораблей и станции практически невозможно дублировать, поэтому резервами конструкторов и прочнистов являются запасы прочности. Естественно, здесь тоже не обходится без перестраховок, без излишеств.

Нетрудно понять позицию специалистов, которые занимаются сложным анализом и моделированием и не хотят рисковать: лучше спать спокойно. Это лишь один далеко не единственный из факторов, почему в конструкцию нередко закладываются слишком большие запасы. Чтобы рационально спроектировать летательный аппарат, из которого выжато все, что можно, чтобы он получился быстрым и маневренным, чтобы он летал, необходим главный конструктор. Этот технический и организационный лидер должен понимать существо основных проблем, обладать интуицией и большими полномочиями. В то же время ему нередко приходится рисковать ради достижения общей цели. Если дать полную свободу специалистам, разработчикам отдельных систем, самолет никогда не взлетит. Однако такой подход относится не только к проектированию самолета в целом. Хорошо, если у каждой системы или агрегата есть свой главный конструктор.

Если вернуться к прочности стыка и к усталостной прочности, надо сказать, что, начиная с первых проектов, мы рассчитывали и испытывали наши агрегаты на максимальные нагрузки, которые определялись описанными методами. Это были так называемые повторно–кратковременные нагружения. Теперь нам пришлось учитывать усталость материалов.

Как известно, многократно нагруженные элементы, как и люди, постепенно устают и, в конце концов, могут сломаться. Усталостные нагрузки обычно меньше максимальных однократных, опять же — как у людей. Чтобы определить пределы усталости, необходимо нагрузить конструкцию миллионы раз. Существуют также нормы статической и усталостной прочности. Их тоже определяют люди, которые порой не хотят рисковать, закладывая коэффициенты безопасности. Нам пришлось испытывать свои агрегаты, учитывая все эти нормы и факторы. На специальном стенде накачивалась усталость в течение нескольких месяцев.