Когда человечество только начало осваивать космос, оно сталкивалось с проблемами, которых на Земле никогда не было. Главное из них по сей день — холодная сварка металлов в вакууме. Если совсем коротко, то из-за того, что в космосе вакуум и нет атмосферы, между металлами не возникает никакой прослойки и два куска чистого металла просто склеиваются воедино на молекулярном уровне.
На Земле всё мы привыкли к тому, что металлы — это прочные, стабильные материалы. Они могут быть десятки лет в тесном контакте, плотно прилегать друг к другу, стянутые болтами и гайками, но стоит их раскрутить, и конструкция распадётся на отдельные детали. Но в космосе всё иначе. Металлы стремятся слиться друг с другом при малейшем контакте. Этот эффект уже не раз парализовывал многомиллионные космические аппараты, а борьба с ним стала отдельной главой в космической инженерии.
Физика холодной сварки проста и понятна. Любой кусок металла представляет собой кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы, а пространство между ними заполнено облаком свободных электронов — так называемым электронным газом. Именно эти свободные электроны обеспечивают металлам их характерные свойства: высокую электро- и теплопроводность, ковкость и пластичность. В земных условиях поверхность любого металла практически мгновенно покрывается тончайшей оксидной плёнкой — результатом химической реакции с кислородом воздуха. Эта плёнка не позволяет атомам разных кусков металла вступить в прямой контакт. Именно поэтому два куска стали можно спокойно прижать друг к другу, и они не срастутся, даже если оставить их в тисках на годы.
Однако в условиях глубокого вакуума открытого космоса, где давление падает до значений порядка 10⁻⁶ Па и ниже, картина меняется. Оксидная плёнка, которая образовалась на Земле, лишённая подпитки кислородом, со временем деградирует и исчезает, а малейшее трение, которое неизбежно происходит при вибрациях во время запуска, перепадах температур, вызывающих тепловое расширение и сжатие, или при штатной работе подвижных механизмов — только ускоряет этот процесс.
Так вот как только защитная плёнка, образовавшаяся на Земле исчезает, атомы соседних металлических деталей вступают в контакт, не понимая, где их деталь, а где соседняя — граница-то исчезла. Электронные облака перекрываются, и между поверхностями начинается стремительная взаимная диффузия атомов. Фактически, кристаллические решётки двух деталей сливаются в единую структуру, образуя соединение, прочность которого сопоставима с прочностью цельного металла. Этот процесс не требует ни высокой температуры, ни электрической дуги, ни расплавления — он происходит при любой температуре, лишь бы был вакуум и чистый металл. Именно это и называют холодной или контактной сваркой.
Впервые эта проблема проявила себя уже в середине 1960-х годов, когда американские военные и НАСА столкнулись с необъяснимыми отказами механизмов на ранних спутниках: заклинивали подшипники, не раскрывались солнечные батареи, отказывали электромеханические переключатели. Металлы просто становились единым целом, но об этом ещё не знали.
В 1966 году были запущены секретные спутники специально для изучения этого феномена. Расследования показали, что многие механизмы, которые на Земле проходили многократные циклы испытаний без проблем, в космосе намертво срастались после первого же срабатывания или даже просто во время вибраций при выводе на орбиту. И всё это обходилось в миллионы и миллиарды долларов убытков.
Самым громким примером стала миссия автоматического зонда НАСА «Галилео», запущенного в 1989 году для исследования Юпитера и его спутников. Зонд нёс на борту главную антенну диаметром 4,8 метра, которая должна была раскрываться в космосе подобно гигантскому зонтику. Эта антенна обеспечивала передачу данных на Землю.
В апреле 1991 года, когда «Галилео» уже находился в поясе астероидов на пути к Юпитеру, НАСА отправило команду на раскрытие антенны. Механизм начал движение, но внезапно застопорился: из восемнадцати рёбер антенны три отказались открываться, оставив конструкцию в полураскрытом, бесполезном состоянии. Миссия была фактически сорвана. Последующее расследование показало, что причиной в очередной раз стала именно холодная сварка.
И это при том, что после проблем в 60-ых инженеры сделали выводы и нашли решение — создали специальные смазки, искусственно создающие ту самую плёнку, разграничивающую две соседние детали. Все титановые рёбра антенны были обработаны специальным антифрикционным покрытием. Однако вибрации при запуске и перепады температур привели к тому, что в некоторых точках контакта это покрытие оказалось повреждено или стёрто и... в местах контакта рёбер с фиксирующими элементами металлы просто срослись в монолит.
Инженеры НАСА предприняли отчаянные попытки спасти ситуацию: они более тринадцати тысяч раз посылали команды на мотор антенны, пытаясь «размять» соединение, даже разворачивали зонд так, чтобы попеременно нагревать и охлаждать заклинивший механизм в надежде на термическое расширение и сжатие. Но всё было тщетно — атомы титана уже «не помнили», что когда-то были разными деталями. Миссия «Галилео» была спасена лишь благодаря резервной малонаправленной антенне, скорость передачи данных через которую была в десять тысяч раз ниже — всего 8-16 бит в секунду вместо 134 тысяч.
«Галилео» всё же сумел выполнить значительную часть научной программы и передал бесценные снимки Юпитера и его ледяных спутников, но учёным пришлось полностью переписывать протоколы программы, разрабатывать новые алгоритмы сжатия данных и многократно танцевать с бубном.
И это не единственный случай, но самый известный и дорогой.
Сейчас для предотвращения холодной сварки разработано множество методов. Самый очевидный — избегать использования однотипных металлов в контактирующих парах. Если одна деталь сделана из стали, а другая из латуни или бронзы, их атомные решётки имеют разную структуру и параметры, что резко снижает вероятность взаимной диффузии и схватывания. Однако использование разных металлов в соседних деталях не всегда возможно по разным причинам. Тогда на помощь приходят специальные плёнки и твёрдые смазки на основе дисульфида молибдена или политетрафторэтилена. А сейчас ещё ведутся исследования по созданию многослойных нанопокрытий, наносимых с помощью лазерного испарения, которые превосходят плёнки и смазки по долговечности и износостойкости.
Но холодная сварка в космосе — это не только проклятие, но и потенциальное благо. Её можно использовать для строительства крупных орбитальных конструкций прямо в космосе, где традиционная сварка плавлением технически сложна и энергозатратна. Просто сближаешь две части, прижимаешь их с некоторым усилием друг к другу на время и всё, они становятся единым целым без сварки, заклёпок и болтов. Правда, разобрать уже не получится.
Напоминаю, что у меня есть каналы в МАХе и ВК, где я публикую более сжатые посты и кое-что, что вообще не выходит в Дзене. А ниже ещё несколько интересных статей про космос: