Космическая технология и производство - Сергей Гришин

Рис. 13. Электрофорез в свободном потоке жидкости (1 — подача раствора; 2 — отбор фракций). Разделение фракций осуществляется в направлении, перпендикулярном течению раствора между электродами

В земных условиях использование метода электрофореза для разделения компонентов жидкости сталкивается с несколькими трудностями. Во-первых, наблюдается частичное перекрытие фракций, вызванное свободной конвекцией, а также термической конвекцией, обусловленной возникновением дополнительных перепадов температуры и плотности раствора за счет его нагрева при прохождении электрического тока. По этой причине величину тока, который можно пропустить через раствор, сильно ограничивают, чтобы не допустить нежелательного перегрева жидкости. А это означает, что производительность установки по разделению биологических материалов сравнительно невысока. Кроме того, из-за различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды под действием силы Архимеда возможно их разделение.

В космических условиях эти трудности можно преодолеть. Прежде всего это касается возможности ограничить роль конвекции и, следовательно, улучшить степень очистки и повысить производительность установок. Другое возможное преимущество электрофоретического метода в условиях невесомости связано с отсутствием влияния плотности на разделение фаз. В земных условиях ют плотности зависит вязкость, величину которой можно менять, добавляя в раствор большое количество малых молекул или малое количество больших молекул. В невесомости этот способ управления вязкостью раствора становится особенно удобным из-за отсутствия силы Архимеда. В результате открывается возможность управлять вязкостью среды как независимым параметрам, который не связан с плотностью. Реализовать эту возможность на Земле, разумеется, нельзя.

С целью непосредственной проверки этих выводов в космических условиях западногерманскими и американскими учеными был поставлен ряд экспериментов, выполненных на станции «Скайлэб» и при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». В эксперименте на «Скайлэб» был испытан прибор, в котором невозмущенный поток жидкости протекал между двумя пластинами, к которым было приложено электрическое поле. Частицы вводились в раствор на одном конце прибора и удалялись через отверстия, расположенные на другом его конце. В земных условиях из-за перемешивающих конвекционных потоков расстояние между пластинами не удавалось сделать больше 1–2 мм. В космических условиях его удалось увеличить до 5 — 10 мм. Этот результат подтвердил возможность повысить производительность прибора и улучшить его разрешающую способность.

В эксперименте прибор сходного типа был применен для разделения клеток крови и исследования ограничений, накладываемых конвекцией и осаждением частиц. Благодаря уменьшению влияния конвекции удалось увеличить глубину камеры и в результате повысить в 6,5 раза производительность установки. Разрешающая способность по сравнению с опытами, проводившимися на Земле, возросла в 1,5 раза.

В другом эксперименте также исследовалась возможность получения чистых биологических препаратов в условиях подавленной конвекции на примере клеток крови и почек, в частности, была поставлена задача выделить в чистом виде урокеназу. Урокеназа — это единственный фермент, вырабатываемый в человеческом организме, который способен растворять образовавшиеся тромбы. Если удастся выделить фермент урокеназу в чистом виде и выяснить процесс его выработки почечными клетками, то появится возможность его производства в достаточных количествах и на Земле. Урокеназа — эффективное средство борьбы с тромбофлебитом и такими сердечно-сосудистыми заболеваниями, как инфаркт, инсульт и т. д. Согласно имеющимся сообщениям данный эксперимент также выполнен успешно. В целом, однако, в области электрофореза сделано пока значительно меньше, чем в других направлениях исследований по космической технологии.

Комплексные технологические эксперименты

Для всестороннего исследования особенностей, возникающих при протекании физических процессов в невесомости, а также для выявления относительной перспективности (для космического производства) конкретных технологических процессов необходимо перейти к проведению массовых экспериментальных исследований на космических аппаратах различного типа. Современное состояние исследований и разработок в области космического производства, ведущихся в Советском Союзе, характеризуется именно переходом к этому этапу.

Советская программа космических исследований в области технологии и производства предусматривает проведение подобных комплексных экспериментов, и это явится новым этапом исследований и разработок советских ученых в данной области и, в свою очередь, обусловливается успехами, достигнутыми на предшествующем этапе. В частности, обширный комплекс технологических экспериментов самого массового характера был осуществлен совсем недавно при запусках высотных ракет и во время полета орбитальной космической станции «Салют-6» с космонавтами на борту. Проводимые в рамках единой исследовательской программы, эти эксперименты взаимно дополняли друг друга.

27 декабря 1977 г. в Советском Союзе был осуществлен запуск высотной ракеты, который позволил выполнить одновременно несколько десятков разноплановых технологических экспериментов. Для их проведения был разработан специальный комплект технологических приборов — СКАТ, в которых для нагрева и плавления исследуемых веществ использовалось тепло экзотермических химических реакций. Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались вдоль оси нагревательных ячеек, имеющих цилиндрическую форму.

Продолжительность состояния невесомости в этом эксперименте составляла около 10 мин. Поэтому, для того чтобы обеспечить достаточно быстрое затвердевание расплавленных веществ перед тем, как состояние невесомости прекратится (при входе ракеты в плотные слои атмосферы), была применена специальная система теплосброса. Она работала по принципу «тепловой губки», основанному на отводе выделяющегося тепла в массивную алюминиевую обойму.

Полная масса комплекта приборов СКАТ (вместе с системой теплосброса) составляла 137 кг. В разных ампулах в зависимости от задачи эксперимента обеспечивалось получение различных температур. Диапазон максимальных температур, реализованных с помощью аппаратуры СКАТ, составлял 600 — 1700 °C.

Программа экспериментов, осуществленных с помощью комплекта СКАТ, включала в себя изучение широкого круга веществ: композиционные материалы, пенометаллы, специальные сплавы, полупроводники. В целях повышения достоверности результатов почти все эксперименты были продублированы.

Проведение технологических экспериментов комплексного характера было включено в программу работ, проводимых советскими космонавтами на орбитальном научно-исследовательском комплексе «Салют-6» — «Союз-27».

11 января 1978,г. к космонавтам Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко, прибывшим на станцию «Салют-6» на космическом корабле «Союз-26», присоединился экипаж корабля «Союз-27» — космонавты В. А. Джанибеков и О. Г. Макаров, которые впоследствии вернулись на Землю с помощью корабля «Союз-26». В спускаемом аппарате корабля «Союз-26» были доставлены на Землю материалы с результатами исследований и экспериментов во время полета орбитальной станции «Салют-6» в течение более трех месяцев.

22 января 1978 г. была осуществлена стыковка с пилотируемым научно-исследовательским комплексом «Салют-6» — «Союз-27» автоматического грузового транспортного корабля «Прогресс-1». Впервые в истории космонавтики с помощью автоматического корабля была осуществлена транспортная операция по доставке на пилотируемую орбитальную станцию оборудования, аппаратуры и материалов для обеспечения жизнедеятельности экипажа и проведения научных исследований и экспериментов, а также топлива для дозаправки двигательных установок.

С помощью «Прогресса-1» на станцию «Салют-6» было доставлено оборудование, предназначенное и для выполнения цикла технологических экспериментов. В него, в частности, входит установка «Сплав-01», которая состоит из электронагревной печи ампульного типа и небольшого компьютера, предназначенного для автоматического управления тепловым режимом. Внутренняя полость печи имеет три зоны: с высокой и низкой температурами, а между ними — с перепадом температур (максимальная температура около 1000 °C). Конструкция печи позволяет вести эксперименты одновременно с тремя ампулами, заполненными исследуемыми веществами.

Приступив к подготовке технологических экспериментов, Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко разместили печь в шлюзовой камере, имеющейся в рабочем отсеке станции «Салют-6», через которую экипаж выбрасывает бытовые отходы (у камеры имеется два люка — один ведет внутрь станции, другой — в окружающее космическое пространство). Затем космонавты через специальные герметические разъемы соединили шлюзовую камеру с пультом управления, установленным внутри станции. После этого был закрыт внутренний люк камеры и открыт наружный, так что печь оказалась в космическом вакууме. Такие условия работы печи были выбраны для того, чтобы обеспечить отвод от нее тепла путем излучения непосредственно в окружающее космическое пространство.