В условиях пилотируемых космических полетов освещение как внутреннее, так и наружное, является одной из самых сложных задач. Космические аппараты имеют множество особенностей, исключающих привычные «земные» методы проектирования и создания осветительных установок. Космос потребовал совершенно новых подходов в светотехнике и уникальных приборов.
Решением всех проблем освещения в космосе фактически с самого начала космической эры и до последних лет занимался многолетний научный партнер МСК «БЛ ГРУПП» – ВНИСИ (Всесоюзный научно-исследовательский светотехнический институт им. С.И. Вавилова). Институт участвовал во всех космических программах СССР и России.
Исследователи, конструкторы, испытатели, инженеры ВНИСИ, начиная с середины 60-х годов 20-го века, создали множество уникальных «космических» осветительных приборов для наружного, внутреннего и специального освещения, многие из которых до сих пор используются на орбите. Все советские и российские космические пилотируемые корабли и орбитальные станции («Союз», «Салют», «Мир», «Буран», модули МКС) были оборудованы созданными и изготовленными во ВНИСИ светильниками и светосигнальными приборами.
Внутреннее освещение для работы космонавтов
Работа в космосе выявила множество специфических «светотехнических проблем». Во-первых, из-за невесомости космонавты могут работать в самых невероятных положениях, поэтому приборы и оборудование располагаются на всех доступных «условных» поверхностях: на полу, стенах и даже на потолке. То есть «рабочей плоскостью» является фактически вся внутренняя поверхность корабля или станции.
Во-вторых, глаза космонавта испытывают большую нагрузку из-за неизбежности частой переадаптации. Космонавтам приходится постоянно наблюдать за приборами внутри станции и за наружной обстановкой через иллюминатор. При этом перепад яркостей внутри и снаружи, как на солнечной, так и на теневой части орбиты, составляет несколько порядков.
В-третьих, поскольку источниками электроэнергии служат солнечные батареи и аккумуляторы, дающие постоянное и к тому же нестабильное напряжение, то для люминесцентных ламп (ЛЛ) необходимы преобразователи, а для ламп накаливания (ЛН) – стабилизаторы. Кроме того, невесомость исключает конвекционный отвод тепла для охлаждения световых приборов, что также учитываться при создании осветительных установок для космоса.
Есть и проблема высокой стоимости электроэнергии от солнечных батарей и вывода на орбиту полезного груза – в том числе, и из-за этого освещённость рабочих поверхностей на первых пилотируемых аппаратах была на уровне подсобных помещений (не выше 30 лк).
Благодаря разработкам ВНИСИ, проблемы постепенно были решены. Начиная с «Салюта-3», выведенного на орбиту в 1974 году, все осветительное оборудование для космических аппаратов полностью разрабатывалось, изготавливалось и совершенствовалось во ВНИСИ.
В 1975 году на корабле «Союз-19», созданном для советско-американской космической программы «Аполлон-Союз» уже были совершенно другие условия освещения. Специально для этой программы в короткий срок были разработаны светильники рабочего и местного освещения СД1-5М и СД1-6 с U-образной амальгамной ЛЛ мощностью 8 Вт. При этом СД1-6 был первым в мире «космическим» светильником с регулируемым световым потоком (осевая сила света могла изменяться от 1 до 40 кд). Освещённость рабочих мест в «Союзе-19» составляла около 200 лк и могла плавно снижаться космонавтами до 2–5 лк в зависимости от характера выполняемой работы. Освещённость для чёрно-белых телерепортажей и съемок достигала 100 лк, для цветных – около 300 лк, что обеспечивало вполне приемлемое качество. По требованию ВНИИ телевидения, ответственного за телепередачи с орбиты, в светильниках были использованы лампы цветности ЛДЦ, обеспечивающие лучшее качество цветопередачи. (Об освещении для телерепортажей см. ниже).
В то время руководитель ведущей лаборатории по космической тематике Л.П. Варфоломеев рассказывал, что освещение «Союза» вызвало у приехавших в Звёздный городок на тренировки американских астронавтов настоящее потрясение, так как освещение «Аполлона» в то время было значительно хуже, а о возможности регулирования светильников с ЛЛ они даже не подозревали.
Светильники показали высокую надёжность и удобство во время полётов и многолетней работы на станциях «Салют», «Мир» и МКС.
К началу 80-х годов специалисты ВНИСИ (с привлечением специалистов из ИМБП, ГОИ, ИКМ, КБ Общего машиностроения, НИИ технической эстетики) в ходе масштабной экспериментальной НИР благодаря специально созданным в институте установкам, имитирующих условия на орбите, разработали еще более совершенные лампы ЛБ8-4 и ЛДЦ-8 и под них светильники СД1-7, СПР-1 и СР-2 (два последних использовались и для телерепортажей см. ниже). Эти приборы до сих пор являются основными источниками света на борту российских модулей МКС. На станции «Мир» работало 17 светильников СД1-7. По светотехническим и эксплуатационным параметрам указанные лампы до сих пор остаются на уровне лучших мировых образцов: световая отдача красных и зелёных ламп – 75 лм/Вт, ламп цветности ЛБ – 55 лм/Вт, гарантированный срок службы – 5000 часов. Для труднодоступных мест был разработан светильник СГ2-7, который использовался и при выходе в открытый космос.
Освещение для телерепортажей
Освещение для телерепортажей из спускаемых аппаратов с космонавтами осуществляется только лампами накаливания – внутри очень тесно, но нужен высокий уровень освещённости. Для программы «Союз-Апполон» во ВНИСИ был разработан светильник СГ2-9 с галогенной лампой накаливания КГМ27-27 мощностью 27 Вт. Позднее он был модифицирован в СГ2-14, летавший на многих советских и российских «Союзах». Благодаря специальному отражателю, светильник создаёт равномерную освещённость около 300 лк в круге диаметром 1 м с расстояния 1 м, что вполне обеспечивает высокое качество репортажей. Четыре светильника включались через один общий блок питания, стабилизирующий бортовое напряжение.
Позже для освещения в ходе телерепортажей и кинофотосъемок на борту станции «Мир» специалисты ВНИСИ создали стационарный светильник СР-2 и переносной светильник СПР-1 с шестью лампами по 8 Вт. Переносных светильников на станции было четыре. Они могли легко крепиться в любом месте не только с помощью кронштейнов, но и с помощью «липучек». На станции «Мир» эти светильники использовались космонавтами не только для съёмок, но и когда требовалась повышенная освещённость. Затем и для съемок, и для рабочего освещения был разработан универсальный светильник СР-3 с тремя съемными блоками.
Освещение против «солнечного голодания»
ВНИСИ в партнерстве с Институтом медико-биологических проблем РАН удалось решить и еще одну серьезную проблему – «солнечного голодания». Поскольку внутрь орбитальных станций фактически не попадает естественный солнечный свет, космонавты, особенно при длительных полётах, нуждаются в компенсации нехватки витамина D3, который синтезируется в организме под воздействием УФ излучения. Как показали первые длительные полёты, витамин D3 практически не усваивается с пищей или в виде таблеток, что приводит к вымыванию кальция из костей.
Для решения этой проблемы были созданы специальные бортовые УФ облучатели БУФ. Первый был доставлен на борт «Салюта-7» (работал на орбите с 1982 по 1991 год). В БУФ был встроен таймер, позволяющий устанавливать требуемое время облучения в диапазоне от 5 до 45 минут. Облучатель устанавливался над тренажёром «беговая дорожка». Такой же облучатель работал и на борту станции «Мир». Уф излучение использовалось и для обеззараживания воды – с помощью бактерицидной лампы ДБ 8 (установка СРВК).
Освещение для космических оранжерей
Эксперименты по выращиванию растений в условиях невесомости начались со станции «Салют» (1971 год), на борту которой имелась небольшая оранжерея «Оазис». Для освещения растений в ней использовался светильник СД1-4 с двумя ЛЛ по 4 Вт. Он был первым светильником разработки ВНИСИ, побывавшим в космосе. По отзыву летавшего на этой станции космонавта Ю. П. Артюхина «Оазис» был самым светлым местом на станции, и космонавты проводили около него значительную часть свободного времени.
Внешнее освещение для стыковок.
Во ВНИСИ были созданы и прожекторы для освещения стыковочных узлов. Они устанавливались на всех модификациях кораблей типа «Союз» для ручной стыковки корабля и станции. Первым в 70-х годах был разработан прожектор СМИ 3-3 с галогенной лампой накаливания КГМ27-100, имеющей рекордную для этого типа ламп световую отдачу – 33 лм/Вт. Однако из-за большого разброса бортового напряжения и его значительного падения на проводах (до 5 В) лампы часто работали при напряжении ниже номинального, что приводило к ухудшению светотехнических параметров прожектора.
Для устранения этого недостатка в конце 80-х годов был разработан осветительный комплекс СМИ-4 с импульсным стабилизатором и новыми лампами КГМ12-100, созданными в ВНИИ источников света им. А. Н. Лодыгина. Комплекс имеет три прожектора: два с углом рассеяния 4о для освещения стыковочного узла и один с углом 20о для общего освещения станции. При стыковке работает один из «четырёхградусных» прожекторов, а другой является резервным и включается автоматически при отказе первого. Это обеспечивает исключительную надёжность комплекса. За многолетнюю историю его применения не было ни одного случая отказа основного прожектора.
Во ВНИСИ также были разработаны и выпускались несколько типов габаритных и сигнальных огней-маяков для космических аппаратов.
Освещение для «Бурана».
ВНИСИ участвовал и в программе «Энергия-Буран». Для освещения погрузочно-разгрузочной площадки многоразового транспортного корабля «Буран» был разработан светильник СГ2-12 с галогенной лампой накаливания. Выбор типа источника света обусловлен невозможностью работы разрядных ламп, в том числе и люминесцентных, в заданном интервале температур (±150оС), а светодиодов в те годы ещё не было. В светильнике использована лампа КГСМ27-40 мощностью 40 Вт. Поскольку бортовое напряжение имеет широкий разброс, светильник включался через стабилизатор. «Буран» совершил единственный беспилотный полёт в космос, и был установлен в ЦПКО им. Горького, а в 2014 году «переехал» на ВДНХ. Макет фары «Бурана» можно увидеть во ВНИСИ.
Испытания на земле
С интенсивным развитием космических технологий в конце 60-х- начале 70-х годов ВНИСИ была поручена разработка специальных облучательных устройств для наземных испытаний космических аппаратов на воздействие заатмосферного солнечного излучения. Для исследований был создан ряд имитаторов солнечного излучения. В середине 80-х ВНИСИ создал и запустил крупнейший в Европе имитатор диаметром 6 м, высотой 22 м и мощностью более 5000 кВт. В нем использовались 84 разработанные в институте самые мощные в мире дуговые ксеноновые лампы типа ДКсРМ-55000 по 55 кВт.
Разработки для полетов на Марс.
С 2006 года ВНИСИ был привлечен к работам по проведению наземного эксперимента, имитирующего полет и высадку на Марс. В рамках проекта «Перспектива» институт создал осветительные приборы для помещений наземного экспериментального комплекса. В 2008-2011 годах в рамках программы «МАРС-500» силами ВНИСИ проведена НИР по исследованию влияния искусственной световой среды обитаемых космических аппаратов на психофизиологическое состояние членов экипажа, их умственную и физическую работоспособность.
Эпельфельд Илья Давидович: "Участие в космических программах с начала космической эры – это славная страница в истории нашего института. Работа была очень интересная, было много встреч со знаменитыми людьми, с известными представителями космической отрасли, я учился у замечательных конструкторов – зав. нашей лабораторией был Павел Иванович Паршин, светлая ему память.
Но это была и очень сложная, ответственная работа. В ее части мы были закрытой организацией с высокой степенью секретности. В институте были представители заказчика, работа с которыми была очень напряженной. Были жесткие сроки сдачи работ, их нельзя было переносить. Если конструкция не обеспечивала необходимую прочность и надежность – сидите ночью, работайте в праздники. А у нас ведь никогда не было гарантии успеха, учитывая параметры температурных и механических воздействий в ходе испытаний.
Если отвечать на вопрос, какие разработки тогда стали самыми сложными, то можно сказать – все. Очень сложным было внутреннее освещение, не менее сложным – создание светового малогабаритного излучателя СМИ-4. Это прожектор, трехглазая фара, которая обеспечивала визуальное наблюдение в процессе ручной стыковки. Мы тогда очень долго не могли добиться нужных параметров. В любом случае мы горды тем, что нам удалось решить такие непростые задачи".
При подготовке материала использованы юбилейные издания ВНИСИ к 50- и 60-летию, статьи к.т.н. Варфоломеева Л.П. в журнале «Светотехника» №2, 2017 г. и в Справочной книге по светотехнике, 4-е издание, 2019 год.