Основной задачей программы полета спутника «МАС-2» была проверка эффективности пассивной системы охлаждения. Дело в том, что для нормальной работы инфракрасных детекторов на метеорологических спутниках требуется достаточно низкая температура. Конечно, такое охлаждение можно сделать «принудительным», используя вспомогательную систему охлаждения. Но можно пойти по более рациональному пути: применить температурные условия самой космической среды, создав, таким образом, пассивную систему охлаждения.
Система была создана в виде «колодца» в теле спутника, на «дне» которого установлен инфракрасный детектор. Ось «колодца» совпадала с осью вращения спутника. Спутник «МАС-2», на котором испытывалась эта система, был запущен. 5 июня 1975 г. Пассивная система работала нормально до 15 ноября 1975 г. Затем началось резкое повышение температуры, и только после-20 марта 1976 г. система стала вновь достаточно охлажденной. Эти изменения обусловливались разной величиной угла между осью вращения спутника и направлением на Солнце (назовем его угол А). Во время полета он изменялся согласно графику на рис. 7. 15 ноября 1975 г. и 20 марта 1976 г. угол А равнялся 65°, а в промежутке между этими датами был меньше 65°. Если обратить внимание на график температуры в точке установки датчика (рис. 8), то можно увидеть, что между этими же датами температура резко возрастала. Таким образом, можно сделать вывод, что выбранная система охлаждения эффективна, если угол между осью вращения спутника, вдоль которой расположена данная система, и направлением на Солнце больше 65°.
Рис. 7. Изменение угла А во время полета спутника «МАС-2»
Наряду с основной задачей, определением эффективности пассивной системы охлаждения, на спутнике «МАС-2» были продолжены работы по изучению поведения в условиях космоса тонких пленок из различных материалов, начатые еще во время полета «МАС-1».
Космическое материаловедение. 25 марта 1979 г. на борту орбитальной станции «Салют-б» космонавты Владимир Ляхов и Валерий Рюмин начали цикл экспериментов по космическому материаловедению под общим названием «ЭЛЬМА». При этом на советском оборудовании испытывались материалы, подготовленные во французских лабораториях.
На ежегодном совещании в Ленинграде осенью 1976 г. советские и французские специалисты договорились о проведении экспериментов под общим названием «ЭЛЬМА» («Экспериментальное МАтериаловедение») на советских печах «Кристалл» и «Сплав», установленных на орбитальной станции «Салют-6». Подготовку материалов взяли на себя четыре французские лаборатории в Бордо, Медоне и Гренобле. Электропечь «Кристалл» способна обеспечить температуру до 1100 °C. В ней можно получить полупроводниковые материалы в результате действия четырех процессов: направленной кристаллизации, сублимации, газотранспортного переноса, в ходе движения растворителя. В этой печи, установленной внутри орбитальной станции, тепловой режим поддерживается автоматически — с помощью специального электронного блока. При этом работа оператора состоит только в загрузке и разгрузке контейнера с образцом материала.
Рис. 8. Температура в точке установки инфракрасного датчика на спутнике «МАС-2»
В электропечи «Сплав» технологический процесс осуществляется в условиях глубокого вакуума (10–7 — 10–8 мм рт. ст.), то есть вне орбитальной станции. Максимальная температура, получаемая в этой печи, достигает 990 °C.
Наличие двух печей и возможность проведения в них одного и того же эксперимента позволяют выяснить наиболее рациональные условия исследуемого технологического процесса. Всего в обеих печах было осуществлено 10 экспериментов по советско-французской программе «ЭЛЬМА»: 8 в печи «Кристалл» и 2 в печи «Сплав». Каждый из них носил название ФК или ФС (первая буква означает «французский», а вторая связана с названием печи).
Первые два эксперимента (ФК-1 и ФС-1) посвящены протекающей в условиях невесомости кристаллизации алюминия (с добавкой меди) и олова (с добавкой свинца). Материалы такого типа давно известны металлургам, но получение их однородных структур — задача чрезвычайно сложная. Часто при этом вместо однородных кристаллов возникают ячеистые или дендритные структуры. Как полагают, они вызваны воздействием конвекции, приводящей к перераспределению компонентов перед фронтом кристаллизации. Проведение эксперимента в условиях невесомости, приводящей к практическому отсутствию тепловой конвекции, позволяет выяснить, насколько справедливо это предположение.
Цель следующей группы экспериментов (ФК-2 и ФК-3) — получение новых магнитных материалов. Совсем недавно считалось, что наилучшими магнитными свойствами обладают никель и кобальт. Но в настоящее время в связи с использованием редкоземельных элементов появляется возможность получить качественно новые магнитные материалы. Создание материалов с повышенными магнитными характеристиками позволило бы заменить электромагниты в электродвигателях на постоянные магниты, что дало бы значительную экономию в потреблении электроэнергии. Постоянные магниты могут найти применение и в других областях техники.
Используемый в этих экспериментах магнитный материал неодим—кобальт (ФК-2) в принципе можно получить в условиях наземных лабораторий, но при этом его структура будет очень неоднородной. Другой материал, марганец—церий (ФК-3) в земных условиях получить не удается: материал разлагается на составляющие до процесса кристаллизации.
Следующая группа экспериментов — ФК-4, ФС-2 (получение кристаллов германия) и ФК-5 (получение кристаллов окиси ванадия) — посвящена изучению чрезвычайно важного процесса кристаллизации: из газообразного состояния. Если газ какого-либо вещества медленно охладить ниже точки плавления и затем в среду ввести кристалл того же вещества («затравку»), то за счет осаждающихся на кристалле частиц он будет расти. Существует и другой способ кристаллизации из газообразного состояния — путем ввода в газовую среду холодного тела (другого состава). Тогда на этом теле будет кристаллизоваться вещество из газовой фазы в точности так же, как иней на почве и на крышах домов в холодные осенние ночи.
Основная задача эксперимента ФК-6 — изучение влияния факторов космического полета на кристаллизацию полупроводников из жидкого состояния. Известно, что в невесомости жидкая масса принимает сферическую форму. При понижении температуры из этой массы образуется кристалл, который в принципе должен также иметь сферическую форму. Эксперименты, посвященные данной проблеме, проводились на космических аппаратах и раньше, но результаты получались различными. В частности, получение кристалла сферической формы было целью и советского эксперимента «Сфера», осуществленного на борту пилотируемой станции «Салют-5». Однако полученные образцы из сплава Вуда приняли форму более или менее удлиненную, со «стрелками» и были похожи на маленькие «ежики» (по выражению космонавта В. М. Жолобова).
Существует ряд возможных объяснений причин отклонения формы кристаллов от правильной сферы, но именно многочисленность таких объяснений требует настоятельной проверки и установления действительной причины явления. В эксперименте ФК-6 одновременно получали сферические кристаллы висмута, теллура, висмут—теллура и индий—сурьмы. Эти вещества в твердом состоянии находились в одном контейнере, который помещался в печь. При разогреве достигалось жидкое состояние этих веществ, которые в условии невесомости принимают форму сферы. В процессе охлаждения происходила кристаллизация образцов.
Исследованию кристаллизации из раствора были посвящены эксперименты ФК-7 и ФК-8. По мнению многих специалистов, материал Ga—As (галлий—мышьяк) представляет большой интерес как перспективный полупроводник. Используемый вместе с кремнием, он позволит получить фотоэлементы с повышенным коэффициентом полезного действия (до 25 %). Надежды специалистов связаны с возможностью получения более совершенного материала Ga—As в условиях космоса. Следует подчеркнуть, что аналогичный советский эксперимент проводился космонавтами Владимиром Коваленком и Александром Иванченковым. Небезынтересно будет сравнить результаты этих двух исследований.
Кристаллизация из раствора тройной композиции галлий—индий—фосфор, или, более точно, состава типа GaxIn1–xP, определяет содержание эксперимента ФК-8. Галлий и индий относятся к III группе периодической таблицы Менделеева и близки по своим физико-химическим свойствам. Фосфор относится к V группе. Вариации соотношения галлий—индий используют для получения полупроводника с оптимальными свойствами. В предлагаемом эксперименте ставилась более скромная задача: определить степень совершенства кристаллов, получаемых в условиях невесомости.