Почему советские луноходы красили в белый цвет, хотя на Луне нет воздуха
Вопрос из заголовка звучит наивно только на первый взгляд. В земной логике краска — это защита от сырости, ржавчины и непогоды. На Луне нет ни сырости, ни непогоды, ни самого воздуха — казалось бы, крась хоть в горошек или не крась вовсе. Но именно отсутствие воздуха и делало белый цвет «Лунохода» вопросом жизни и смерти машины. Белое покрытие советских луноходов — не эстетика и не традиция, а ключевой элемент системы терморегулирования, и инженеры НПО имени Лавочкина, создавшие эти аппараты, посвятили ему не меньше расчётов, чем колёсам и телекамерам. Более того: именно отказ этой «краски» — точнее, её загрязнение — в конце концов погубил «Луноход-2».
Лунная «погода»: духовка и морозильник без форточки
Начнём с условий эксплуатации. «Луноход-1» прибыл на Луну 17 ноября 1970 года на станции «Луна-17», «Луноход-2» — в январе 1973-го на «Луне-21». Обоих ждала среда, для техники почти издевательская. Лунные сутки длятся около месяца: примерно две земные недели непрерывного дня и две недели ночи. Днём поверхность в экваториальных и средних широтах раскаляется до +120…+130 градусов, ночью остывает до −150…−170. И главное — вакуум.
Вот здесь и зарыт ответ на «наивный» вопрос. На Земле нагретое тело охлаждается в основном конвекцией: воздух обтекает горячий корпус и уносит тепло — так работает радиатор автомобиля. В вакууме конвекции нет в принципе. У аппарата на Луне остаётся единственный канал теплообмена с внешним миром — излучение. Всё тепло, которое машина получает и производит, она может сбросить только одним способом: излучить в чёрное небо. А сколько тепла она получит от Солнца и сколько сумеет излучить — определяется свойствами её поверхности. То есть, грубо говоря, краской.
Физика белого: два коэффициента, решающие всё
У любого покрытия в космической технике есть две ключевые характеристики. Первая — коэффициент поглощения солнечного излучения: какую долю падающего солнечного света поверхность вбирает в себя, а какую отражает. Вторая — степень черноты в инфракрасном диапазоне: насколько эффективно поверхность излучает собственное тепло. Хитрость в том, что эти два свойства относятся к разным участкам спектра и у материалов могут сочетаться по-разному.
Идеальное покрытие для освещённого Солнцем аппарата — то, что отражает максимум видимого солнечного света и при этом отлично излучает в инфракрасном диапазоне. Этот класс покрытий в отечественной терминологии так и называется — «солнечные отражатели», и физически это как раз белые эмали, как правило на основе окиси цинка и других белых пигментов. Хорошее белое терморегулирующее покрытие поглощает лишь малую долю солнечной энергии, а излучает собственное тепло почти как абсолютно чёрное тело. Чёрная поверхность на солнце в вакууме раскалилась бы намного сильнее; полированный металл, хорошо отражая свет, плохо излучает — и тоже перегревается. Белая матовая эмаль — оптимум, и это не советская особенность, а универсальный закон жанра: белыми были и американские лунные модули в существенной части поверхностей, и скафандры астронавтов, белыми красят радиаторы спутников по сей день — соответствующие данные сведены в классических справочниках по тепловому режиму космических аппаратов.
Для «Лунохода» это было особенно критично. Внутри его герметичного корпуса — «кастрюли» из магниевого сплава — работала аппаратура, выделявшая сотни ватт тепла, а снаружи две недели подряд жарило ничем не ослабленное Солнце. Верхняя плоскость корпуса служила радиатором-излучателем: именно через неё аппарат сбрасывал тепло, и её оптические свойства рассчитывались особенно тщательно. Внутри корпуса циркулировал газ (азот), собиравший тепло от приборов и отдававший его радиатору, — фактически замкнутая система «отопления-охлаждения». Эта схема подробно описана в академическом двухтомнике «Передвижная лаборатория на Луне — Луноход-1» (издательство «Наука», 1971 и 1978), подготовленном создателями аппарата, и в трудах ВНИИтрансмаш, где под руководством Александра Кемурджяна разрабатывалось шасси.
Ночь: когда белый цвет работает в паре с крышкой
А что ночью? Двухнедельной ночью проблема разворачивается на сто восемьдесят градусов: теперь то же самое отлично излучающее белое покрытие грозит выстудить аппарат до гибельных температур. Инженерное решение изящно: на ночь «Луноход» закрывал радиатор откидной крышкой — той самой, на внутренней стороне которой размещалась панель солнечной батареи. Днём крышка поднята: батарея смотрит на Солнце, радиатор — в небо. Ночью крышка опущена: радиатор укрыт, теплопотери резко снижены. А чтобы аппаратура не замёрзла за две недели мороза, в корпусе работал радиоизотопный источник тепла на полонии-210 — не электрогенератор, а именно «печка», тихо гревшая нутро машины. Белое покрытие, крышка и полониевый обогреватель составляли единую систему: убери любой элемент — и аппарат не пережил бы первых же суток, лунных, разумеется.
Работоспособность схемы доказана практикой: «Луноход-1» вместо гарантийных трёх месяцев проработал десять с половиной, пережив одиннадцать лунных ночей и пройдя 10,5 километра. К слову, он до сих пор «на связи» в буквальном смысле: в 2010 году, после того как аппарат отыскали на снимках американского орбитального зонда LRO, физики успешно получили отражение лазерного луча от его французского уголкового отражателя — через сорок лет после посадки.
Как пыль «перекрасила» и погубила «Луноход-2»
Лучшее доказательство того, что белый цвет был не украшением, а системой жизнеобеспечения, — история гибели «Лунохода-2». В мае 1973 года, на пятый месяц работы, аппарат неудачно сманеврировал внутри небольшого кратера. Откинутая крышка с солнечной батареей зачерпнула грунт со стенки кратера, а когда её закрыли на ночь — лунная пыль осыпалась прямо на белую поверхность радиатора.
Дальше физика сработала неумолимо. Лунная пыль тёмная, её коэффициент поглощения солнечного света в разы выше, чем у белой эмали. Запылённый радиатор начал вбирать солнечное тепло вместо того, чтобы отражать его, а излучающая способность поверхности упала. С наступлением лунного дня температура внутри корпуса поползла вверх, аппаратура стала перегреваться, и вскоре связь с аппаратом была потеряна навсегда. Эта версия гибели машины изложена самими участниками работ и давно стала хрестоматийной в литературе по планетоходам. Вдумайтесь: аппарат, переживший метеоритную опасность, перепады в триста градусов и месяцы езды по бездорожью, убил тонкий слой пыли на «краске». Трудно нагляднее продемонстрировать, что цвет поверхности в вакууме — не косметика.
Не краска, а высокие технологии
И последнее уточнение, важное для точности. Слово «красили» применительно к луноходам — упрощение. Обычная белая краска в космосе не живёт: в вакууме органические связующие испаряются, ультрафиолет и заряженные частицы за месяцы «загорают» покрытие — белое желтеет и темнеет, теряя отражающую способность. Поэтому для космической техники в СССР разрабатывался особый класс материалов — терморегулирующие покрытия: эмали на кремнийорганических и силикатных связующих со специально подобранными пигментами, стойкие к вакууму, ультрафиолету и радиации, с нормированными и стабильными оптическими коэффициентами. Их создание было отдельной научно-технической задачей, которой занимались профильные материаловедческие институты космической отрасли, а деградация таких покрытий в полёте — предмет исследований по сей день. Так что белизна «Лунохода» — продукт не малярного цеха, а физической химии.
