Двое не летавших ранее космонавтов входили в отряд, готовившийся к облёту Луны, их выбрали для полёта с целью получить опыт длительного пребывания в космосе. Экипаж продолжил выполнять текущие задачи — съёмку военных объектов, спектрозональное сканирование и медицинские эксперименты. Также в программу полёта было включено проведение технологических экспериментов, первым из которых должна была стать сварка в космосе.
Сварка — один из важнейших технологических процессов, используемых при строительстве космических кораблей. Когда обсуждались разные варианты теплового экрана для орбитальной ступени аэрокосмической транспортной системы, одним из них была горячая несущая конструкция корпуса, прикрытая ниобиевым экраном, способным работать при очень высоких температурах.
В перерыве одного из совещаний НТС СССР в конце 1961 г Сергей Павлович Королёв поинтересовался у академика Бориса Евгеньевича Патона, есть ли у нас в стране какие-либо технологические наработки по сварке и резке ниобиевых сплавов. Академик Патон пригласил Сергея Павловича посетить киевский Институт электросварки. Вечно занятый Королёв сам выбраться в Киев не смог, но в начале 1962 г направил туда в командировку одного из своих заместителей, Михаила Васильевича Мельникова. В институте, под руководством Бориса Евгеньевича, уже проводилась отработка сварки ниобия и его сплавов.
(В реальной истории М.В. Мельников ездил в Киев в конце 1962 г, после избрания Б.Е. Патона президентом Академии наук Украины)
Мельников был восхищен проводимыми в Институте работами по сварке и напылению ниобия, о чём восторженно доложил Королёву по приезде в Подлипки. Теперь уже сам СП позвонил Патону и пригласил его к себе на встречу, как технический директор Главкосмоса. Они вместе побывали на заводе ?23, где осмотрели прототип орбитальной ступени '50-11', использовавшийся для отработки посадки, и договорились о совместной исследовательской работе по изучению возможностей сварки в космосе.
По мнению многих специалистов, значительное отличие условий на Земле и за её пределами делали процесс сваривания металлов в открытом космосе невозможным. При разработке технологии сварки в космическом пространстве необходимо было учитывать такие факторы, как глубокий вакуум, неограниченная скорость диффузии газообразных веществ из зоны сваривания, значительные изменения температуры — от минус 150 до плюс 130 градусов по Цельсию. В то же время отсутствие кислородной атмосферы частично упрощало процесс, исключая образование оксидов, что отменяло необходимость применения защитных газов.
Ещё одной проблемой было полное отсутствие гравитации, это вынуждало полностью пересмотреть сам подход к проведению сварочных работ. Процесс сварки в космосе был очень осложнён ограниченной подвижностью космонавта, которому приходилось выполнять работу в громоздком и сковывающем движения скафандре. При сварочных работах в открытом космосе присутствовал риск повреждения скафандра и разгерметизации, что в безвоздушном пространстве угрожало жизни космонавта. (http://промтехгаз.рф/svarka-v-kosmose-istoriya-razvitiya/)
Сразу же после возвращения в Киев, Борис Евгеньевич созвал совещание с заведующими основных отделов, на котором было решено: 'Приступить к широким исследованиям по созданию способов сварки в космосе, включающих разработку технологии, техники и оборудования для сварки и резки, а также исследование металлургических вопросов сварки различных металлов в специфических условиях космоса'. НИР по проведению сварки в космосе получила название 'Звезда'. (В реальной истории решение было принято 30 декабря 1963 года, в АИ работы начались в начале 1962 г)
Общее руководство по всем работам было возложено на директора ИЭС, а непосредственным куратором Б.Е. Патон назначил зам. директора Данила Андреевича Дудко. При конструкторском отделе была создана лаборатория ?35, занимавшаяся разработкой технологию сварочных работ в космосе. Сотрудникам лаборатории была поставлена задача сконструировать и испытать космическое сварочное оборудование. Главным конструктором проекта был назначен зам. директора Григорий Петрович Дубенко. В число руководителей и сотрудников лаборатории вошли инженеры, конструкторы и технологи по каждому процессу, всего около 20 человек. Хотя они занимались темой 'Звезда', все формально числились в своих отделах. (http://www.astronaut.ru/as_rusia/veld/start.htm)
Институт Электросварки начал работу с абсолютного нуля. Первоначально предложенный дирекции Главкосмоса на утверждение план исследовательских работ включал изучение практически всех известных видов сварки с точки зрения их применимости в условиях глубокого вакуума и невесомости, с учётом энергоемкости и массогабаритных характеристик оборудования. К работе были подключены сразу несколько подразделений: отдел по сварке плавящимся электродом, отдел плазменной сварки, отдел электронно-лучевой сварки и др. Ответственным за плазменную сварку был назначен С.П.Лакиза, за электронно-лучевую — О.К.Назаренко, за сварку плавящимся электродом — А.Е.Марченко. Все установки были автоматическими. Группу автоматики возглавлял Ю.Н. Панкин.
Специалисты института предложили разработать для экспериментов по сварке в космосе опытную установку, получившую название 'Вулкан'. Это было достаточно сложное сооружение, оснащённое вращающимся столом, и позволявшее исследовать режимы сразу трёх видов сварки — электронно-лучевой, плазменной и дуговой сварки плавящимся электродом. Аппарат предполагалось скомпоновать из двух блоков. Блок управления располагался в герметичном объёме спускаемого аппарата, а технологический блок с тремя сварочными агрегатами и вращающимся столом — в орбитальном отсеке корабля 'Союз', который на время эксперимента разгерметизировался.
Перед установкой аппарата на космическом корабле предполагалось испытать принципиальную возможность сварки в невесомости во время полётов самолёта Ту-104 по параболической траектории, в ходе которых можно было обеспечить невесомость приблизительно на 30 секунд. Этого было мало, чтобы положить полноценный сварочный шов, но за это время можно было зажечь дугу и проверить, к примеру, параметры каплеобразования.
Королёв, в свою очередь, изучил всю информацию по сварке в космосе, доступную в присланных документах. Он знал, что при первых испытаниях в 'той' истории удачной получилась только электронно-лучевая сварка. При пробной плазменной сварке плазменная дуга не зажглась, и образцы остались несваренными. С дуговой сваркой тоже возникли проблемы (развалился подшипник вращающегося стола, шов получился неровным, но это была чисто техническая неисправность). СП предложил академику Патону сосредоточиться для начала на электронно-лучевой сварке.
— Для космоса этот вид сварки мне представляется наиболее перспективным, — пояснил Сергей Павлович. — Насколько я разобрался, он позволяет сваривать даже тугоплавкие и химически активные металлы и их сплавы, вольфрам, тантал, молибден, ниобий, цирконий, титан, алюминий, высоколегированную сталь, которая обычно не варится электрической дугой, причём эти материалы можно сваривать как в однородных, так и разнородных сочетаниях при самых разных толщинах и температурах плавления. Сварка электронным лучом проводится в вакууме. На Земле для этого нужны дорогостоящие вакуумные камеры, а в космосе как раз вакуум высокий и бесплатный.
Установку вашу делайте, мы её тоже обязательно опробуем в космосе, — СП не хотел заставлять инженеров Института электросварки 'наступать на горло собственной песне'. — Ещё хорошо бы сделать установку для плазменного напыления и наплавки материала. Но установка у вас по проекту получается достаточно сложная, вы её делать и испытывать будете года три. А у нас на орбитальной станции есть два манипулятора, управляемых вычислительной машиной. Для первой пробы мы установим в орбитальном отсеке 'Союза' небольшой манипулятор, и если опыт будет удачным, можно будет уже попробовать сварку в открытом космосе.
Сделайте нам на первом этапе относительно простой ручной прибор только для электронно-лучевой сварки, например, что-то вроде сварочного пистолета с ранцевым блоком питания, но такой, чтобы его можно было закрепить в захвате манипулятора. Сделайте только так, чтобы электронным лучом можно было и сваривать и резать материал.
Борис Евгеньевич согласился с доводами Главного конструктора — предложенная конструкция опытной установки действительно была довольно сложной. Королёв же ориентировался на намного более простой прибор для электронно-лучевой сварки, который в 'той' истории испытывали в 1984 г в открытом космосе космонавты Владимир Александрович Джанибеков и Светлана Евгеньевна Савицкая. Этот аппарат, получивший название 'Универсальный ручной инструмент' (УРИ), при мощности всего 750 Вт и общей массе 30 кг, из которых сама ручная электронно-лучевая пушка весила 2 кг, (по другим публикациям — от 2,5 до 3,5 кг, точных цифр нет) позволял производить электронно-лучевую сварку, пайку, резку, разогрев деталей и напыление тонких покрытий в условиях открытого космоса, и мог работать с высоколегированными сталями и титаном. (https://wikimetall.ru/metalloobrabotka/svarka-v-kosmose.html)
Быстро разработать настолько универсальный и совершенный аппарат было сложно, и Королёв, понимая это, предложил, для ускорения, упростить задачу, сосредоточившись на сварке и резке. Таким образом, тема 'Звезда' в Институте электросварки продвигалась по двум основным направлениям. Отдел электронно-лучевой сварки под руководством Олега Кузьмича Назаренко в течение 1962-63 гг разработал и изготовил прототип 'универсального ручного инструмента' с ручной электронной пушкой и ранцевым источником питания. Его испытали в вакуумной камере, оснащённой небольшим манипулятором, сначала на земле, а затем на 'летающей лаборатории' Ту-104, в полёте по параболической траектории, в условиях кратковременной невесомости, и начали готовить экипаж к эксперименту в космосе.
Параллельно разрабатывалась более сложная и универсальная лабораторно-технологическая установка 'Вулкан'. Королёв знал, что она будет иметь в большей степени научное, чем прикладное значение, но не исключал дальнейшего развития подобных установок для использования на орбитальном заводе или лунной базе.
К 1964 году был разработан и изготовлен лабораторный вариант оборудования для отработки трёх различных способов сварки в вакууме. Причем оборудование сразу проектировалось с учетом возможности использования его на 'летающей лаборатории' для исследования сварки в условиях невесомости. Такие способы сварки, как, например, сварка плавящимся электродом в вакууме и плазменная сварка низкого давления, тогда были разработаны впервые в мире. В 1964 году начались испытания лабораторного оборудования в условиях невесомости в ЛИИ в г. Жуковский, где в то время находилась единственная в стране 'летающая лаборатория'. Было выполнено 10 полётов, во время которых испытывались все три варианта сварки — электронно-лучевая, плазменная дуговая и сварка плавящимся электродом в вакууме. (В реальной истории испытания лобораторного варианта 'тройной' установки проходили с июня 1965 г http://www.astronaut.ru/as_rusia/veld/start.htm)
На основе полученных данных в 1966 году был изготовлен рабочий вариант установки 'Вулкан', к 1967 году были проведены его испытания в 'летающей лаборатории' и доработки, а испытания в космосе планировались на 1969 год. (Хронометраж оставлен без изменения, т. к. устройство было действительно сложное)
Для нанесения покрытий методом термического испарения и конденсации веществ позднее (в реальной истории испытания проводились в 1979-81 гг) была разработана установка 'Испаритель', в которой в условиях невесомости и забортного вакуума в автоматическом режиме наносились тонкопленочные металлические покрытия на образцы из конструкционных материалов.
Технологическая установка 'Испаритель'
В то же время 'универсальный ручной инструмент' для электронно-лучевой сварки и резки был подготовлен к испытаниям в реальном космическом полёте значительно раньше, по причине своей относительно более простой конструкции, состоявшей из ранцевого источника питания в контейнере размером 400х450х500 мм, сваренном из трубчатых элементов, обеспечивавших ему достаточную жёсткость при малом весе. В этом контейнере, который можно было носить за плечами или закрепить на внешней поверхности орбитальной станции, находились вторичный источник питания с пультом, кабели, соединяющие источник питания с бортовой розеткой и ручным инструментом, и собственно сам рабочий инструмент в специальном ложементе. На контейнере также крепился планшет с образцами материалов.
Универсальный ручной инструмент (ранцевая часть): 1 — контейнер; 2 — вторичный источник питания; 3 — пульт управления; 4 — рабочий инструмент; 5 — ручка с гашеткой; 6 — кабель; 7 — планшет с шестью образцами.
Рабочий инструмент: 1 — электронно-лучевая пушка для сварки, резки, пайки; 2 — электронно-лучевая пушка (с тиглем) для нанесения покрытия; 3 — высоковольтный преобразователь; 4 — кабель питания; 5 — экран, защищающий руку от теплового излучения обрабатываемого металла; 6 — ручка; 7 — гашетка.
На картинках — реальный УРИ, с двумя электронно-лучевыми пушками, способный также паять и наносить тонкоплёночные металлические покрытия. ((Иллюстрации из статьи http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/n_i_j/1986/2/isp-na-orb.html)
В первом варианте УРИ установили только одну электронно-лучевую пушку, без испарительного тигля для нанесения покрытий. Этот вопрос требовал отдельного изучения, и Королёв предложил вести работу поэтапно. С одной ЭЛП ручная часть инструмента получилась легче, уложились в 2 кг даже на несовершенной элементной базе начала 60-х.
Упрощённый УРИ сначала несколько раз испытали в состоянии кратковременной невесомости, внутри вакуумной камеры, смонтированной в 'летающей лаборатории' Ту-104 базировавшейся ЛИИ в Жуковском. Реальная работа там не проводилась, вакуумная камера была очень небольшой, ручной блок с электронно-лучевой пушкой устанавливался внутри неё и включался в момент 30-секундной невесомости, чтобы убедиться в его работоспособности и проверить принципиальную возможность работы устройства при отсутствии тяжести.
После полёта Гагарина Королёв сказал:
— В космос должны летать не только лётчики, но и другие специалисты, в том числе инженеры. Космический корабль — сложнейшая техника, и управлять ею грамотно могут только люди с высшим техническим образованием. Создавать новую космическую технику могут только инженеры, и лучше, если они имеют опыт космических полётов. Те, кто хочет принять участие в космических программах, должны просто подать заявление.
Королёвская идея заключалась в том, чтобы создать собственный отряд космонавтов из инженеров ОКБ-1 (впоследствии ЦКБЭМ), чтобы эти люди участвовали в космических полётах, а потом занимались работами в конструкторском бюро, передавая свой полученный опыт, свои идеи для создания космических аппаратов.
В первом наборе космонавтов-инженеров были:
