Международная космическая станция на высоте около 400 км летит не через пустоту, а через очень разреженные верхние слои атмосферы Земли. Под действием солнечного ультрафиолета молекулы кислорода там распадаются на отдельные атомы. Эти атомы очень химически активны, а потому постепенно разрушают внешние поверхности космических аппаратов.
Речь не идет о том, что станцию буквально разъедает на глазах. Процесс идет медленно, но постоянно. За годы работы на низкой околоземной орбите атомарный кислород может истончать полимерные материалы, портить защитные покрытия, менять свойства оптических поверхностей и заставлять инженеров особенно внимательно подходить к выбору каждой наружной детали — от теплозащитных одеял и красок до пленок, уплотнителей и композитных панелей.
На Земле кислород обычно существует в виде молекул O2, но на орбите ситуация иная. Там солнечное излучение расщепляет молекулы на отдельные атомы, и именно они становятся источником проблемы. Дополнительную опасность создает то, что сам космический аппарат движется с очень большой скоростью, примерно 8 км в секунду. Из-за этого столкновение поверхности станции с потоком атомарного кислорода оказывается достаточно энергичным, чтобы со временем повреждать уязвимые материалы.
Инженеры поняли масштаб этой угрозы не сразу. Опасность стала особенно очевидной, когда космические аппараты начали возвращаться с орбиты с внешними поверхностями, изменившимися так, что это уже можно было измерить. Некоторые материалы, которые на Земле выглядели вполне надежными, в космосе теряли массу, темнели, становились шероховатыми, покрывались трещинами или меняли оптические свойства.
Особенно сильное воздействие получают поверхности, которые обращены в сторону полета станции. Именно на них приходится основной поток атомарного кислорода. Поверхности, расположенные с противоположной стороны, обычно страдают меньше. Со временем это стало важной частью расчетов при проектировании долговечных орбитальных аппаратов.
Большую роль в изучении этой проблемы сыграл Центр Гленна NASA. Там в течение многих лет собирали данные о том, как ведут себя разные материалы в реальной орбитальной среде. Для этого на внешней стороне МКС размещали специальные кассеты с образцами материалов в рамках эксперимента MISSE. Исследователи проверяли, как в таких условиях выдерживают работу полимеры, композиты, покрытия и другие элементы, которые затем могут использоваться на космических аппаратах.
Такие испытания важны потому, что на Земле можно только приблизительно воспроизвести космическую среду. В лабораториях удается отдельно моделировать воздействие атомарного кислорода, ультрафиолета и перепадов температуры, но сочетание всех этих факторов в реальном полете оказывается сложнее. Поэтому для инженеров особенно ценны именно орбитальные данные, полученные на самой станции.
Сильнее всего атомарный кислород действует на углеродсодержащие полимеры. Одним из самых известных примеров считается каптон — полиимидная пленка, которую широко применяют в космической технике благодаря ее стойкости к сильным перепадам температуры. Но если оставить такой материал без защиты на низкой орбите, он начинает постепенно разрушаться. Другие материалы страдают по-своему: композиты могут терять массу, покрытия — отражающие свойства, а оптические поверхности — становиться более грубыми.
Поэтому наружные полимеры стараются закрывать тонкими неорганическими слоями. В качестве защитных барьеров применяют, например, диоксид кремния или оксид алюминия. Универсального щита не существует, и защита строится из множества отдельных решений: какой именно материал взять, какое покрытие нанести, как разместить деталь, на какой срок службы ее рассчитывать и сколько износа допустимо.
Именно так и обеспечивается долговечность МКС. Станцию не перестраивают заново каждые несколько месяцев, а постоянно защищают за счет заранее продуманных материалов, покрытий, запасов прочности, проверок и замены отдельных элементов по мере необходимости. Внешняя оболочка станции вообще не является чем-то единым. Это сложное сочетание алюминиевых конструкций, теплозащиты, окон, солнечных батарей, поручней, уплотнителей, датчиков, антенн и площадок для внешних экспериментов. И каждая из этих частей испытывает свою комбинацию нагрузок.
Атомарный кислород — только одна из проблем, но очень постоянная. Он медленно меняет уязвимые поверхности. Одновременно станция сталкивается и с другой угрозой — микрометеоритами и мелким орбитальным мусором. Если атомарный кислород делает медленную химическую работу, то мельчайшие частицы мусора наносят быстрые механические повреждения. Поэтому наружные элементы МКС должны выдерживать сразу оба вида воздействия.
Именно накопленные знания позволяют станции работать десятилетиями. Данные о том, как долго служат материалы, помогают заранее оценивать срок их работы. Защитные покрытия уменьшают эрозию. Особенно уязвимые детали по возможности размещают так, чтобы они меньше страдали от потока частиц. Во время выходов в открытый космос оборудование можно осматривать, а некоторые элементы — менять. Часть узлов изначально проектируют с запасом, чтобы они могли долго выдерживать постепенное старение.
Японский спутник SLATS, также известный как TSUBAME, специально работал на очень низкой орбите, чтобы изучать более плотные верхние слои атмосферы, атомарный кислород и разрушение материалов. Такие орбиты считаются особенно привлекательными для наблюдения Земли, потому что позволяют получать более четкие изображения, но при этом создают больше сопротивления и ускоряют износ внешних поверхностей аппарата.
Сейчас эта проблема становится еще важнее, потому что низкая околоземная орбита все сильнее заполняется спутниками связи, аппаратами наблюдения, военными системами и коммерческой техникой. Чем ближе аппарат к Земле, тем выше качество наблюдений и тем удобнее некоторые виды связи, но тем сильнее воздействие верхней атмосферы. Поэтому для новых проектов вопрос стойкости материалов становится ключевым.
Есть и неожиданная сторона этой истории. Та же химическая активность атомарного кислорода, которая в космосе считается угрозой, на Земле может быть полезной. В NASA использовали контролируемое воздействие атомарного кислорода для очистки произведений искусства, поврежденных пожаром или копотью. Причина в том, что он хорошо разрушает органические углеродсодержащие загрязнения, при этом меньше затрагивая некоторые неорганические пигменты.
Когда срок службы МКС подойдет к концу, станцию планируют свести с орбиты контролируемым образом. К тому моменту она уже будет не совсем такой, какой была в начале. Часть ее исходных материалов сохранится, часть наружных слоев будет заменена, где-то поверхности окажутся истонченными, потемневшими или химически измененными. За десятилетия работы станция буквально накопила на себе следы орбитальной среды.
Главный вывод здесь в том, что ближний космос только кажется пустым. На самом деле для внешних поверхностей аппаратов это очень активная среда, где одновременно действуют солнечное излучение, атомарный кислород, перепады температур, заряженные частицы, микромусор и время. Именно поэтому долговечность станции обеспечивается не одним решением, а постоянной инженерной работой на всем протяжении ее службы.
