No „ZvD” 213.numura  KONFERENCE «AR SKATU NO KOSMOSA. PIRMĀ CILVĒKA LIDOJUMAM KOSMOSĀ – 50»

Uldis Stirna

(fragmenti)

Atzīmējot 50. gadadienu kopš cilvēka pirmā lidojuma kosmosā, Paula Stradiņa Medicīnas vēstures muzejā š.g. 9. martā notika starptautiska zinātniska konference Ar skatu no kosmosa. Pirmā cilvēka lidojumam kosmosā – 50. Šajā konferencē tika nolasīti vairāki referāti par tēmu – kosmoss un Latvija. Šajā rakstā būs stāstīts par Latvijas Valsts Koksnes ķīmijas institūta zinātnieku ieguldījumu kosmosa tehnoloģiju un materiālu izstrādes jomā

Daudzkārt izmantojamie kosmosa kuģi

Kopš kosmonautikas attīstības pirmsākumiem ir noritējusi sīva konkurence starp ASV un PSRS par kosmosa apguvi. ASV kosmosa apguves programmas virzīja NASA, bet Padomju Savienībā firma Enerģija. Pagājušā gadsimta septiņdesmitajos gados abas lielvalstis izvirzīja ambiciozus plānus kosmosa apguvē un to realizāciju saistīja ar daudzkārt izmantojamo kosmosa kuģu izstrādi. Abām lielvalstīm šie projekti bija vieni no lielākajiem zinātniski tehniskajiem projektiem pagājušajā gadsimtā. NASA izveidoja Space Shuttle tipa daudzkārt izmantojamos kosmosa kuģus, kas apvienoja sevī nesējraķeti, pilotējamu kosmosa kuģi, un tie varēja pildīt arī kosmosa transporta kuģa funkcijas. Konkursā par kriogenās izolācijas materiāla izvēli programmai Space Shuttle piedalījās daudzas firmas un uzvarētājas laurus ar saviem materiāliem NCFI 24-124 un NCFI 27-68 plūca firma North Carolina Foam Industries.

Kopš 1981. gada Space Shuttle tipa kosmosa kuģi veikuši 121 lidojumu, no kuriem 119 bija sekmīgi. Šajā gadā NASA pārtrauks šīs programmas darbību, un savā pēdējā lidojumā devies kosmosa kuģis Atlantis. Ziņojumos par Space Shuttle kosmosa kuģu startiem dažādos periodos visai bieži bija atzīmēts, ka raķetei ejot cauri blīvajiem atmosfēras slāņiem, no sašķidrinātā ūdeņraža (LH2) tvertnes tiek atrauti nelieli kriogēnās izolācijas gabali, taču tad tam nepievērsa īpašu uzmanību.

Par to, cik nozīmīga lidojuma drošībai ir kriogēnās izolācijas materiāla kvalitāte, 2003. gadā nācās pārliecināties kosmosa kuģa Columbia ekipāžai. Nesējraķetei izvadot kosmosa kuģi orbītā ap Zemi, no LH2 degvielas tvertnes tika atrauts neliels kriogēnās izolācijas gabals. Daudziem šķita – kas tur īpašs, putuplasts taču ir ļoti viegls materiāls un tas nespēs nodarīt kosmosa kuģim nekādus bojājumus. Tomēr sekas bija traģiskas – šis nelielais putuplasta gabals, lielā ātrumā triecoties pret kosmosa kuģa keramiskās siltumaizsardzības plāksnēm, sabojāja tās. Kosmiskās misijas noslēgumā, kosmosa kuģim atgriežoties uz Zemi, astronauti gāja bojā, jo kosmosa kuģa siltuma aizsardzības sistēma bija bojāta un nespēja pasargāt kuģi no sadegšanas Zemes blīvajos atmosfēras slāņos.

Dažus gadus vēlāk nekā NASA arī Padomju Savienībā firma Enerģija sāka daudzkārt izmantojama kosmosa kuģa Enerģija-Buran radīšanu.

[..]

Kādas nelielas laboratorijas veiksmes stāsts

Ja bija nepieciešams izstrādāt jaunus materiālus, tehnoloģijas vai iekārtas, tad tādas firmas kā NASA un Enerģija meklēja partnerus jau pazīstamajās lielajās universitātēs, institūtos vai citos lielos zinātnes centros un firmās.

Kad firma Enerģija sāka gatavoties sava daudzkārt izmantojamā kosmosa kuģa Enerģija-Buran izstrādei, Koksnes ķīmijas institūta Polimēru laboratorija pat Latvijā bija mazpazīstama, tajā bija tikai četri zinātņu kandidāti, nebija neviena zinātņu doktora un šī laboratorija vēl sevi nebija apliecinājusi ar kādu nozīmīgu projektu realizāciju. Taču šajā laboratorijā strādāja jauni zinātnieki, kas vēlējās sevi apliecināt. Mūsu devīze bija – kāpēc gan ne mēs! Tāpat kā jauniem biznesmeņiem palīdz t.s. „biznesa eņģeļi”, tā arī mums savā laikā palīdzēja, varētu teikt „zinātnes eņģelis” kāda Maskavas Zinātņu akadēmijas institūta doktora Sergejeva personā. Doktors Sergejevs firmā Enerģija tajā laikā jau bija savs cilvēks, kas jau bija sekmīgi izpildījis šīs firmas pasūtījumus. Doktors Sergejevs arī labi zināja, kādas ir problēmas saistībā ar Enerģija-Buran izstrādāšanu, un viņš prata pārliecināt šo firmu, ka Latvijā Koksnes ķīmijas institūtā strādā jauni spējīgi polimēru ķīmijas speciālisti un viņiem varētu uzticēt veikt dažus darbus. Šī ieteikuma rezultātā ar Koksnes ķīmijas institūtu tika noslēgts pirmais līgums par jaunu materiālu izstrādi kosmosa tehnoloģiju vajadzībām. Tas bija 1972. gadā. Pirmais darbs bija saistīts ar uzdevumu izstrādāt sublimācijas tipa siltumaizsardzības materiālu nolaižamajām kapsulām. Laboratorijas zinātnieki gan vēlamos rezultātus nesasniedza, taču pasūtītājam radījām labu iespaidu ar savu prasmi radoši un centīgi strādāt. Sekoja nākamie pasūtītāja darbi, kas bija saistīti ar PPU iespējamo izmantošanu kosmosa tehnoloģijās, – arī tie nedeva vēlamos rezultātus, bet mūsu pieredze auga. Tad pienāca laboratorijas zvaigžņu stunda. Firma Enerģija mums formulēja tehnisko uzdevumu kriogēnās izolācijas izstrādāšanai nesējraķetei Enerģija, kam būtu jāizvada orbītā daudzkārt izmantojamais kosmosa kuģis Buran. Līdz konkursa beigām bija atlikuši vien divi gadi, un mūsu izredzes uz pozitīvu iznākumu bija minimālas, jo konkursā piedalījās arī Padomju Savienības vadošais institūts putuplastu tehnoloģiju jomā, kura potenciāls bija desmitiem laboratoriju un aptuveni 2000 strādājošie. Kriogēnās izolācijas materiāla izstrāde būtiski atšķīrās no tā, kā zinātnieki strādā fundamentālās zinātnes vai pētniecības programmu ietvaros. Šajā gadījumā pasūtītājs formulēja, kādi rezultāti ir jāsasniedz, un darbs ļoti mērķtiecīgi soli pa solim tika virzīts šo mērķu sasniegšanai.

[..]

Uzvara konkursā

Pienāca diena, kad izšķīrās konkursa uzvarētājs. Konkursā tika vērtēta mūsu izstrādātā kriogēnās izolācijas materiāla ar preces zīmi Ripors 2H (atvasinājums no vārdiem „Rīga” un „poras”) un konkurentu materiāla atbilstība izvirzītajām prasībām. Tika novērtēta arī piedāvāto kriogēnās izolācijas materiālu uzvedība apstākļos, kas modelēja reālās situācijas. Tas tika veikts, vairākkārt ielejot un izlejot no tvertnes, kas pārklāta ar kriogēno izolāciju, sašķidrinātu slāpekli. Mūsu materiālam Ripors 2H šie pārbaudes rezultāti bija labāki nekā mūsu konkurentam – mēs kļuvām par uzvarētājiem.

Kriogēnās izolācijas tehnoloģijas izstrāde

Šī projekta izpildei tika izveidots spēcīgs zinātnieku kolektīvs, kurā ietilpa poliuretānu ķīmijas un tehnoloģijas speciālisti, materiālu zinības speciālisti un plašs apkalpojošais personāls. Firma Enerģija dāsni finansēja šo darbu. Tiesa, mums nebija iespējas iegādāties pētniecības iekārtas, kas tika izgatavotas t.s. kapitālistiskajās valstīs, un tas zināmā mērā traucēja veikt nopietnākus pētījumus par materiālu īpašībām kriogēnās temperatūrās.

Viena lieta ir putuplasta īpašības paraugiem, kas iegūti laboratorijas apstākļos, bet pavisam cita lieta, ja kriogēnā izolācija ar uzsmidzināšanas paņēmienu ir uzklāta uz LH2 tvertnes. Sākās ilgs un nogurdinošs darbs daudzu gadu garumā, kura mērķis bija kriogēnās izolācijas tehnoloģiskā procesa optimizācija un materiāla Ripors 2H īpašību izpēte. Nācās ilgos pētījumos noskaidrot jau izvēlētā materiāla Ripors 2H ieguves optimālos tehnoloģiskos parametrus (izolējamās metāla virsmas un komponenšu temperatūra, relatīvais gaisa mitrums, katalizatoru koncentrācija) un vēl daudzu citu parametru iespaidu uz Ripora 2H tehnoloģiskā procesa norisi un iegūtā materiāla īpašībām. Šie rādītāji bija nepieciešami, jo uzsmidzināmais PPU rodas ātri notiekoša polimerizācijas procesa rezultātā pāris desmit sekunžu laikā. Zinātniekiem bija jānovērtē materiāla iespējamā novecošanās ilgstošas uzglabāšanas apstākļos, tajā skaitā paaugstināta gaisa mitruma un UV starojuma iespaidā. Bija pilnībā jāizvērtē tehnoloģiskā procesa un materiāla toksiskuma parametri. Daudzus no šiem pētījumiem veica mūsu sadarbības partneri Rīgas Politehniskajā institūtā (tagad Rīgas Tehniskajā universitātē), Medicīnas institūtā, Polimēru mehānikas institūtā.

Lai būtu pārliecība par Ripora 2H ieguves tehnoloģiskā procesa parametru optimālo izvēli, mums bieži bija jāpiedalās liela mēroga eksperimentos. Uz dažāda gabarīta un formas tvertnēm ar uzsmidzināšanas paņēmienu tika uzklāts Ripors 2H. Eksperimentālās tvertnes, kuru tilpums bija no 50 l līdz 20 m³, tika daudzkārt pildītas ar sašķidrinātu slāpekli vai LH2 un novērtēta mūsu izstrādātā materiāla drošība un kvalitātes kritēriji. Šie darbi notika daudzu gadu garumā un soli pa solim virzījāmies tuvāk mērķim – kriogenās izolācijas uzsmidzināšanai uz nesējraķetes Enerģija LH2 tvertnes.

Firma Enerģija un arī mēs zinājām, ka NASA savu nesējraķeti ietērpa putuplasta „kažokā”, veicot tā uzsmidzināšanu, nesējraķetei atrodoties speciālā kamerā vertikālā stāvoklī. Šajā kamerā kriogēnās izolācijas uzsmidzināšanas laikā tika uzturēta temperatūra 50-55^oC.

Sadarbībā ar partneriem no Ukrainas nesējraķetes Enerģija pārklāšanai ar Riporu 2H tika piedāvāts risinājums, kas būtiski atšķīrās no augstāk aprakstītā NASA izvēlētā tehnoloģiskā risinājuma. Būtiska tehnoloģiskā procesa atšķirība bija tā, ka Ripors 2H tika uzsmidzināts, raķetei atrodoties speciālā stendā horizontālā stāvoklī un rotējot ap savu asi 20-25^oC temperatūrā. Būtiska priekšrocība šādam tehnoloģiskam risinājumam bija tas, ka kriogenā izolācija tika uzklāta vienā kārtā, tādējādi ievērojami samazinot defektu veidošanās iespējamību, kā tas notiek, ja PPU uzsmidzina vairākās kārtās.

Ripora 2H uzklāšana uz nesējraķetes LH2 tvertnes

Pirmo reizi Kuibiševā, ieraugot cehā milzu raķetes korpusu, neticējām, ka tas notiek ar mums. Pirms kriogēnās izolācijas uzklāšanas tika veikti dažādi priekšdarbi: korpuss tika attaukots, tad uzklāts speciāls pārklājums, lai uzlabotu putuplasta pielipšanu pie izolējamās virsmas. Ripora 2H uzsmidzināšanu veica speciāli projektēts mehānisms atbilstoši mūsu aprēķinātajiem parametriem. Izolācijas uzsmidzināšanai sekoja kriogēnās izolācijas virsmas mehāniskā apstrāde, lai izolācijas biezums uz LH2 tvertnes būtu 40+1 mm. Šo operāciju veica speciāli projektēti un izgatavoti mehānismi. Mūsu laboratorijas speciālistiem nācās sekot, vai viss process ris atbilstoši tehnoloģisko instrukciju priekšrakstiem, un apmācīt rūpnīcas speciālistus. Pēc uzsmidzinātā putuplasta virsmas mehāniskās apstrādes notika iespējamo defektu kontrole. Tas tika veikts ar materiālu negraujošām metodēm. Defektu vietas izlaboja. Tad sekoja kriogēnās izolācijas virsmas pārklāšana ar pārklājumu, kuram vajadzēja daļēji aizsargāt izolāciju no siltuma plūsmām, raķetei lidojot cauri atmosfēras blīvajiem slāņiem. Pēc šo darbu veikšanas raķete tika sagatavota transportēšanai ar speciālu lidmašīnu uz kosmodromu Baikonurā.

Enerģija-Buran lido

Lai pārliecinātos, ka visi nesējraķetes mezgli un tajā skaitā arī kriogēnā izolācija darbojas nevainojami, raķetei Enerģija notika izmēģinājuma starti, un tie bija sekmīgi. Speciāla komisija deva zaļo gaismu daudzkārt izmantojamā kosmosa kuģa Enerģija-Buran pirmajam lidojumam. Šis lidojums notika 1988. gadā bezpilota režīmā un bija sekmīgs. Darbs daudzu gadu garumā bija pabeigts. Tiesa, tas bija arī šīs raķetes pēdējais starts, jo Padomju Savienības ekonomikai projekta turpmāka finansēšana bija pārlieku smaga. Koksnes ķīmijas institūta speciālisti, veicot šos darbus, guva lielisku pieredzi, un tā noderēja turpmāk.

Esam vajadzīgi firmai ASTRIUM

Bija jāpaiet aptuveni 17 gadiem, kopš Eiropas Savienībā radās interese par mūsu zināšanām un tehnoloģisko pieredzi kriogēnās izolācijas jomā. Kopš 2005. gada Koksnes ķīmijas institūta zinātnieki ir piedalījušies vairāku līgumdarbu izpildē, lai izstrādātu kriogēnās izolācijas materiālu jaunākās paaudzes Ariane modeļiem. Darbi šajā jomā turpinās.