Идея осуществления сварочных операций в космосе принадлежит советскому конструктору и ученому С. П. Королеву. Так, в Калининграде в 1964 Королев серьезно вынес на обсуждение проблемы строительства и ремонта орбитальных станций, и вероятность использования сварочных процессов в этих операциях. Необходимость разработки подобных технологий обуславливала невозможность выведения ракетами больших и габаритных грузов. Кроме того, сварка, пайка и термическая резка необходима при ремонте, предназначенных для длительного срока службы, конструкций. В связи с этим возник целый ряд новых научно-технических проблем. Необходимо было выделить лучшие варианты форм конструкций, механизмов, аппаратов для изготовления и монтажа в космосе. Также встал вопрос относительно техники безопасности, особенностей, которые необходимо учитывать при сборке и эксплуатации конструкций.

 

Работы над разработкой сварочных процессов в космосе начались в 1964 году. Программа состояла из нескольких этапов.

• Первый этап включал разработку экспериментального сварочного оборудования для нескольких наиболее перспективных методов сварки в космосе. Характерно, что это оборудование изначально подстраивалось для питания от аккумуляторных батарей независимо от бортовой сети. В то же время, велась разработка вакуумных стендов, которые будут имитировать в максимально возможной степени космические условия.
• Второй этап состоял в изучении нескольких методов сварки в лаборатории на Земле, используя построенное экспериментальное оборудование и стенды воссоздания вакуума. Это позволило имитировать в определенной степени космический вакуум и колебания температуры, типичные условия космического пространства. Этот этап также включал определение оптимальных условий сварки, резки и других технологических процессов.
• На третьем этапе были проведены исследования с использованием средств переменного тока для тестирования космических систем и подготовки космонавтов. В летающей лаборатории (ТУ-104), создавалось нулевое состояние гравитации, которое может быть воспроизведен много раз в течение короткого периода времени, а также воспроизводился эффект свободного пространства в больших вакуумных камерах для имитации работы в космосе. Сварочное оборудование и испытательные стенды были размещены в этих камерах.
• Наконец, четвертый этап состоял из тестирования сварочного оборудования и технологий, непосредственно в космосе.

 

В ходе проведения в 1965 году экспериментов в летающей лаборатории на базе Ту-104 были испытаны все вышеупомянутые способы сварки. При проведении эксперимента около 50 раз создавалась искусственная невесомость (25-30 сек.). Во время этих опытов был воспроизведен сварной шов для каждого метода соединения. Затем следовал сравнительный анализ результатов. Эти исследования позволили разработать первый экспериментальный сварочный аппарат для работы в космическом пространстве «Вулкан».

 

Вулкан

 

«Вулкан» представлял собой автономное устройство, соединенное с системами корабля лишь кабелями телеметрии. Конструктивно он состоял из двух блоков. В рабочем (негерметичном) находились все три сварочных устройства и вращающийся стол с образцами. Во втором (герметичном) блоке размещались приборы управления, средства автоматики и измерений, система энергопитания. Установка имела два пульта управления. Один располагался на крышке рабочего блока, второй - дистанционный был соединен кабелем с «Вулканом». Источником питания служила аккумуляторная батарея.

 

В августе 1969 года бригада конструкторов и технологов выехала на Байконур для установки «Вулкана» на космический корабль. Сам сварочный аппарат разместили в орбитальном отсеке, а дистанционный пульт управления - в спускаемом аппарате. Первый эксперимент по сварке металлов в космосе был выполнен 18 октября 1969 года на космическом корабле «Союз-6» летчиками-космонавтами В.Н. Кубасовым и Г.С. Шониным.

 

После разгерметизации орбитального отсека космонавт-оператор В.Н. Кубасов, который находился в спускаемом аппарате, в соответствии с программой включил автоматическую плазменную сварку. Вслед за этим он привел в действие автоматические устройства по сварке электронным лучом и плавящимся электродом. Во время каждого опыта космонавт-оператор наблюдал за работой установки по сигнальным табло на пульте управления.

 

Результаты эксперимента были опубликованы в советской и зарубежной печати. В них сообщалось, что испытание «Вулкана» прошло полностью успешно, в соответствии с программой. Однако сейчас известно, что во время экспериментов произошел ряд неудач.  Во-первых, не зажглась плазма при проведении плазменной сварки, и образцы оказались не сварены. Во-вторых, во время сварки плавящимся электродом из-за неравномерного вращения стола с образцами сварной шов оказался неровным.

 

Главным итогом эксперимента с установкой «Вулкан» стало то, что это позволило сделать выбор в пользу электронно-лучевой сварки и электронно-лучевого нагрева как наиболее перспективного в космических условиях. Кроме того, подтвердилось, что большинство систем и механизмов аппарата работали безотказно, т.е. при его проектировании были приняты правильные решения. Эксперимент показал, что сварка и резка металлов в условиях невесомости и космического вакуума возможна, и эти процессы можно использовать при ремонтных и монтажных работах в космос.

 

Испаритель и Испаритель-М

 

В начале 70-х годов впервые возник интерес к нанесению в космосе различных покрытий. Для этого в ИЭС была разработана установка «Испаритель», работающая по принципу электронно-лучевого термического испарения расплавленного металла в вакууме. Испаряемый материал разогревается в тугоплавком тигле вследствие бомбардировки его пучком электронов, формируемым специальной электронной пушкой. Направленный поток паров конденсируется в вакууме на образцах материалов, образуя необходимое покрытие. Образцы смонтированы в манипуляторе, позволяющем дистанционно осуществлять их замену. В качестве модельного испаряемого материала использовано серебро.

 

Установка «Испаритель» была доставлена на орбиту транспортным кораблем «Прогресс-7» в июне 1979 г. и для проведения экспериментов смонтирована космонавтами В. А. Ляховым и В. В. Рюминым на борту станции «Салют-6». В результате проведения нескольких серий экспериментов были получены 24 образца, которые доставлены на Землю и тщательно исследовались. Тем самым была показана принципиальная возможность выполнения в условиях космоса ремонтно-восстановительных работ, связанных с нанесением металлических покрытий, и получены исходные данные для разработки специализированной бортовой аппаратуры.

 

Эксперименты, проведенные на этой аппаратуре, доказали возможность нанесения тонкопленочных покрытий в условиях орбитального полета, и вместе с тем обнаружили некоторые особенности протекания процессов испарения — конденсации в космосе. В большинстве случаев качество покрытий, полученных в космосе, мало чем отличалось от своих наземных аналогов и удовлетворяло требованиям принятых в промышленности стандартов. Однако такие параметры, как толщина покрытий, фазовый состав и субструктура, имели ряд отличий. Для более тщательного изучения необходимо было провести эксперименты по нанесению покрытий в условиях космоса на качественно новом уровне.

 

Для этого в 1983 г. была изготовлена новая опытная установка для нанесения покрытий «Испаритель-М», которая отличалась более широкими технологическими возможностями. Эксперименты, проведенные на аппаратуре «Испаритель-М», позволили отработать технологию нанесения терморегулирующих покрытий и покрытий под пайку в условиях орбитального полета, уточнить параметры технологических процессов, выявить характерные особенности испарения бинарных сплавов в условиях невесомости.

 

Универсальный ручной инструмент (УРИ)

 

Еще в период испытаний установки «Вулкан» специалисты ИЭС задумывались над созданием компактного, ранцевого универсального инструмента с автономным источником питания, который мог бы позволить космонавту провести работы, связанные с ремонтом или монтажом, на любом участке поверхности космического объекта. Перечень наиболее необходимых для этих целей операций определился сразу: резка, сварка, пайка и нанесение покрытий.

 

При выборе средств воздействия на материалы для выполнения всех этих операций остановились на электронном луче.

 

УРИ был разработан в 1984 году и испытан на станции «Салют-7» в июле 1947 года. Инструмент состоит из высоковольтного специального, малогабаритного блока питания и ручного инструмента - двуствольной электронной пушки в виде пистолета. Один ствол пушки позволяет производить сварку и резку металлов, а второй нанесение защитных покрытий на металлы.

 

Все узлы инструмента находятся в контейнере размеров 400*450*500 мм, сваренном из трубчатых элементов, что обеспечило ему достаточную жесткость при малом весе. В этом контейнере, его еще называют ранцем (можно носить за плечами), удобном для закрепления на внешней поверхности орбитальной станции, были смонтированы: вторичный источник питания с пультом, кабели, соединяющие источник питания с бортовой розеткой и ручным инструментом, и собственно сам рабочий инструмент в специальном ложементе. К контейнеру крепится планшет с образцами материалов для сварки, резки, пайки и нанесения покрытий.

 

Установка «Янтарь»

 

Наряду с УРИ ранее полученные результаты по нанесению покрытий в условиях полета позволили создать аппаратуру третьего поколения. Так, в мае 1987 г. на станции «Мир» была испытана многоцелевая полупромышленная установка «Янтарь». С помощью этой аппаратуры можно получать опытные партии металлических фолы с низкой субмикропористостью, наносить покрытия на движущуюся полимерную подложку, получать многослойные конденсаты, проводить фундаментальные исследования в области испарения многокомпонентных систем в условиях невесомости и космического вакуума.

 

В 1988 году "Янтарь" - оборудование для обработки с большим количеством технологических возможностей был отправлен на орбитальную станцию «Мир» В дополнение к операциям, описанным ранее, это оборудование позволило нанести покрытия на двигающиеся полимеры и металлические ленты. Космонавты Ю. Романенко и А. Лавейкин работали на системе "Янтарь"  в 1988-1989 гг.

 

Сохранив компоновку и принципы управления своей предшественницы, она приобрела некоторые отличия. Вместо шестипозиционного манипулятора для напыления плоских образцов в качестве основной рабочей головки было установлено лентопротяжное устройство, позволяющее наносить покрытия на движущуюся полимерную пленку (ПП). Для ввода предварительно отработанных программ экспериментов в установке вместо ПП использовали жесткие программные записывающие устройства, благодаря чему исключалась возможность ввода ошибки при наборе программ.

 

Для предупреждения сбоев, вызванных работой силового высокочастотного преобразователя, которые наблюдались в установке «Испаритель-М», была повышена помехозащищенность системы управления. Однако принятых мер оказалось недостаточно и сбои в работе аппаратуры продолжались, поэтому программу экспериментов на установке «Янтарь» пришлось сократить. Тем не менее, все же удалось получить большое количество различных образцов покрытий.