Луноход с палто: Ето защо космическите апарати се „опаковат“ във „фолио“

Задавали ли сте си някога въпроса защо космическите апарати в безвъздушното пространство имат нужда от „облекло“?

Екстремните условия на Космоса

В Космоса няма познатата ни атмосфера, която смекчава температурните колебания тук, на Земята. Затова един обект в орбита може да бъде подложен ту на лют студ, ту на силна жега – в зависимост от това дали е огрян от слънчевата светлина.

А топлината не се предава чрез въздушни течения (във вакуум няма конвекция), а само чрез излъчване – най-вече в инфрачервения диапазон на електромагнитния спектър.

Например, Международната космическа станция на всеки час и половина влиза и излиза от земната сянка: температурата на обшивката ѝ варира от около -100°C до +100°C.

Ако допуснем, че температурата е същата и вътре в отсеците, при тези условия както хората, така и електрониката биха замръзвали и прегрявали.

Инженерите трябва да поддържат стабилен температурен диапазон вътре в апаратите.

Това се прави от система за терморегулация, която разпределя равномерно топлинното натоварване.

За да работи нормално, системата трябва да отвежда топлината, генерирана от работата на устройствата и живите организми, и да задържа топлината, идваща отвън.

Най-доброто решение е да се постави специален екран на пътя на инфрачервените лъчи. Такъв екран е многослойната екранно-вакуумна топлоизолация (ЕВТИ).

ЕВТИ е многослойно покритие на корпуса на космическия апарат, което работи само във вакуум.

Това е „космическо одеяло“, което не позволява на топлината нито да прониква отвън, нито да изтича отвътре.

Състои се от десетки редуващи се слоеве отражатели и прокладки.

Всеки отражателен слой е направен от синтетично фолио с дебелина само няколко микрона, с нанесено метално покритие.

Най-често се използва алуминий – той отразява добре топлината, лек е и евтин. По-рядко се използват мед, сребро или дори злато.

Дебелината на метала е минимална (около 0,1 мкм), но е достатъчна, за да отразява инфрачервените лъчи.

Между слоевете има тънки прослойки от мрежест или влакнест материал, които предотвратяват допира им и предаването на топлина.

Многослойната изолация действа като термос и е много ефективна.

В лабораторни условия топлопроводимостта на 40-слойно ЕВТИ „одеяло“ е само ~0,03 мВт/(м·K), което е несравнимо по-добро от всяка обикновена изолация.

В същото време добавената маса е минимална: 40 слоя тежат около 1,2 кг на квадратен метър и са с дебелина около 20 мм.

Аналогичен принцип виждаме и при фолираните спасителни одеяла: лъскавото фолио отразява топлината обратно към човека.

На Земята обаче тези одеяла не работят така, както в Космоса – защото има въздух, който отвежда топлината, и влага.

В Космоса няма нито вятър, нито дъжд, а вакуум, затова екраниращата изолация е много ефективна.

Самата ЕВТИ е много крехка. От механични повреди при работа на Земята или при изстрелване, отвън я защитава плат, който има характерни цветове – бял, бежов, оранжев или черен.

Покритието от плат и ЕВТИ може да отрази до 97% от слънчевите лъчи. То не позволява на апарата да прегрява на слънчевата страна и да изстива на сянка.

В началото на космическата ера проблемът с топлината се е решавал по-просто: металните повърхности са се боядисвали със специална термоустойчива боя или са се полирали до блясък.

Но по този начин е трудно да се осигури необходимият режим и с усложняването на космическите мисии става ясно, че този метод не е достатъчно ефективен.

Съветските инженери са сред първите, които започват да използват многослойна изолация.

Например, спускаемите апарати на „Луна-9“ и „Луна-13“ са били покрити с дебели платнени „покривала“. Същият принцип е приложен и при легендарните луноходи. Съветските „Луноход-1“ (1970) и „Луноход-2“ (1973) всъщност не са изглеждали като гол метал, а като покрити с пухкава завивка машини.

„Союз“ винаги са изстрелвани в топлоизолационна обвивка. Ранните серии „Союз“ (60-те – 70-те години) са били облечени в зелени обвивки. От края на 70-те години, с началото на серията „Союз Т“, външният слой на ЕВТИ става тъмнокафяв, почти черен.

Обвивката на спускаемия апарат се състои от няколко слоя плат, импрегниран с фенолформалдехидна смола и спечен в „пашкул“.

Изпарявайки се, тя отвежда огромна част от топлината и предпазва кораба от прегряване при навлизане в плътните слоеве на атмосферата.

Освен „Союз“, с ЕВТИ са били оборудвани почти всички съветски спътници и междупланетни станции.

Блоковете на орбиталната станция „Мир“, а по-късно и модулите на руския сегмент на МКС, не са били изцяло обвити в ЕВТИ, но отделни техни части са покрити с характерни кафяви „одеяла“, видими на снимки и видео.

При НАСА често виждаме блестящи златисти покрития.

Такъв „декор“ се появява за първи път в началото на 60-е години, когато американските инженери започват да експериментират с многослойна топлоизолация. Лунният модул на „Аполо“ е бил изцяло облепен с блестящо златно фолио – това също е вид ЕВТИ, но без външен платнен слой.

Обикновено се използва фолио от полиимиден пластик (каптон), което от едната или от двете страни е покрито със свръхтънък слой метал. Каптонът сам по себе си е кехлибарено-жълт, затова в комбинация с алуминиево отразяващо покритие се създава ефект на златисто покритие.

Понякога за оттенък се използва мед или наистина тънък слой злато, но основната работа по отразяването на топлината обикновено се извършва от алуминия.

На съвременните спътници многослойната изолация обикновено е видима с невъоръжено око.

Но освен топлината, в Космоса има и други опасности.

Затова на големите орбитални модули изолацията често съчетава няколко функции.

Например, МКС е покрита отвън не просто с фолио, а с цяло „одеяло“ от няколко слоя високотехнологична тъкан (включително кевлар).

Тази външна многослойна обшивка служи за две цели: предпазва корпуса на станцията от микрометеорити и космически отпадъци, а също така работи в комплекс със системата за терморегулация.

В космическата техника защитата на обектите от прегряване и преохлаждане е необходимост. Без многослойни топлоизолационни покрития спътниците и корабите не биха могли да работят дълго под палещото слънце или в ледената сянка.

Затова инженерите по целия свят от десетилетия „опаковат“ космическите апарати в специални одеяла.