Космическая сталь. Добыча металлов в космосе

Сегодня Всемирный день авиации и космонавтики. 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин на корабле «Восток» стал космическим первопроходцем. С 1968 года отечественный День космонавтики получил и официальное общемировое признание.

Казалось бы, какое отношение сталь имеет к этому празднику? Мы привыкли думать о ней как о металле прозаическом, приземленном, к освоению космоса прямого отношения не имеющего. Однако это заблуждение.

Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей - второй по применению металл в ракетах. Везде, где нагрузка не распределена по большой конструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия.

Сталь жестче - конструкция из стали, размеры которой не должны «плыть» под нагрузкой, получается почти всегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь гораздо лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, за исключением самых экзотических сортов, сталь, в конце концов, нужна для стартового сооружения, без которого ракета - ну, сами понимаете…

Но и баки ракеты могут быть стальными. Удивительно? Да. Однако первая американская межконтинентальная ракета Atlas использовала баки именно из тонкостенной нержавеющей стали. Для того чтобы стальная ракета выиграла у алюминиевой, многое пришлось радикально изменить. Толщина стенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20 дюйма), выше использовались более тонкие листы, и у самого верха керосинового бака толщина составляла всего 0,254 миллиметра (0,01 дюйма). А водородный разгонный блок Centaur, сделанный по такому же принципу, имеет стенку толщиной всего лишь с лезвие бритвы - 0,127 миллиметра!

Столь тонкая стенка сомнется даже под собственной тяжестью, поэтому форму она держит исключительно за счет внутреннего давления: с момента изготовления баки герметизируются, наддуваются и хранятся при повышенном внутреннем давлении.

В процессе изготовления стенки подпираются специальными держателями изнутри. Самая сложная стадия этого процесса - приварка днища к цилиндрической части. Ее обязательно нужно было выполнить за один проход, в результате ее в течение шестнадцати часов делали несколько бригад сварщиков, по две пары каждая; бригады сменяли друг друга через четыре часа. При этом одна из двух пар работала внутри бака.

Нелегкая, что и говорить, работа. Но зато на этой ракете американец Джон Гленн впервые вышел на орбиту. Да и дальше у нее была славная и долгая история, а блок Centaur летает и по сей день. У «Фау-2», между прочим, корпус тоже был стальным - от стали полностью отказались только на ракете Р-5, там стальной корпус оказался ненужным благодаря отделяющейся головной части.

Подробнее о «космических» металлах читайте в журнале «Популярная механика»

Решение всей совокупности сложных конструкционных, схемотехнических и технологических задач при разработке, создании и эксплуатации космических средств невозможно без широкого развития и внедрения результатов космического материаловедения. При разработке космических средств требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, микрочастицы и т.д.) и иметь достаточно низкую удельную массу. Весь спектр сильных, зачастую с резкими переходами воздействий на металлические и неметаллические конструкции и элементы оказывает существенное влияние на их глубинные структурные свойства и, как следствие, на надежность и долговечность космических средств различного назначения.

Металлы – основные конструкционные материалы для изделий ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий составляет более 90 %. Поэтому совершенствование тактико-технических характеристик изделий во многом определяется свойствами применяемых сплавов. За последние годы разработано и в дальнейшем получит новое развитие поколение алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием. Замена традиционных сплавов новыми позволит снизить массу узлов изделий РКТ на 10-30 % в зависимости от типа конструкции. Технология получения деталей из новых гранулированных сплавов наряду с возможностью повышения рабочих температур до 850°С обеспечит снижение массы узлов на 10-30 %.

Революционные решения в создании перспективных изделий РКТ XXI в. может обеспечить новый класс конструкционных материалов – интерметаллиды (химические соединения титан – алюминий, никель – алюминий и др.). Эти материалы имеют низкую плотность (3,7-6,0 г/см 3) и обладают высокой жаропрочностью (до 1200°С), высокими характеристиками коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости.

Разрабатываемый в настоящее время титановый сплав по технологичности в машиностроительном производстве будет равноценен традиционной нержавеющей стали (не требуется оборудования для сварки и термообработки с контролируемой атмосферой). Сплав благодаря легированию главным образом гафнием и ниобием не будет окисляться при нагревах до 850-900°С. Не потребуется термообработки сварных соединений для снятия остаточных напряжений, что исключает необходимость использования печей для термообработки и камер для сварки с контролируемой атмосферой. При необходимости термообработка сварных узлов для предотвращения поводок от остаточных напряжений (например, крупногабаритных конструкций типа рам, ферм, экранов донной защиты и т.д.) может проводиться в воздушной атмосфере без последующей пескоструйной очистки и травления. Сварку деталей можно осуществлять всего лишь при струйной защите аргоном, не боясь окисления шва. Сплав будет работоспособен в широком интервале температур: от -253 до +450 °С. Он открывает широкие перспективы для применения титана в ракетостроении взамен нержавеющих сталей, позволит практически втрое улучшить массовые характеристики изделий.

Повышение прочности металлических материалов традиционными методами (увеличением содержания легирующих элементов, улучшением технологий термомеханического упрочнения и т.д.) к настоящему времени исчерпало свои возможности. Современные сплавы содержат большое количество дорогостоящих и редких металлов: кобальта, вольфрама, ниобия, молибдена, никеля и др., что резко повышает их стоимость. Кроме того,значительное увеличение количества легирующих элементов в сплавах приводит к зональной и объемной ликвации в слитках и, как следствие, к анизотропии свойств полуфабрикатов и деталей из них. Большой резерв в повышении свойств конструкций РКТ лежит в использовании интерметаллидных соединений. Для разработки жаропрочных конструкционных материалов на основе интерметаллидных соединений наибольший интерес представляют системы титан -алюминий и никель – алюминий, железо – хром – алюминий.

Интерметаллиды (химические соединения металлов) по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30 % ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства – высокие жаропрочность и жаростойкость, высокую коррозионную стойкость в сравнении с нержавеющими сталями (особенно в кислороде) и высокую износостойкость. Кроме того, интерметаллиды имеют низкую плотность. Интерметаллидные сплавы на основе титана могут работать до температуры +850 °С без защитных покрытий, сплавы на основе никеля – до температуры +1500 °С.

Весь комплекс свойств интерметаллидов может оказать революционное влияние на многие области техники и в первую очередь на создание перспективных образцов авиакосмической техники, в том числе летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями (до М = 25). Использование интерметаллидов в двигательных установках (ротор, статор, крыльчатки, клапанная группа, неохлаждаемые сопла и т.п.) позволит повысить удельную тягу двигателей на 25-30 %,обеспечит снижение массы конструкций до 40 %.

Перспективные неметаллические материалы. Терморегулирующие покрытия. Одним из основных факторов, определяющих надежность и долговечность работы КА, является стабильность его теплового режима, так как современная оптико-радиоэлектронная аппаратура КА работает в определенном температурном режиме. В систему терморегулирования аппаратов входят различные терморегул ирующие покрытия (ТРП), которые устанавливают баланс между выделением тепла внутри КА, энергией, поглощаемой из космоса, и энергией, переизлучаемой в космическое пространство.

ТРП характеризуются терморадиационными характеристиками, которые под действием различных факторов космического пространства (особенно ионизирующего излучения) изменяются, что приводит к увеличению температуры внутри КА и снижению сроков его активного существования (САС). Как показал опыт прошедших лет, ряд КА не смогли выполнить намеченные программы в результате перегрева из-за повышения коэффициентов поглощения солнечного излучения ТРП в системе пассивного терморегулирования. Анализ существующих ТРП свидетельствует, что они не могут обеспечить увеличение САС до 15 лет, особенно для КА, эксплуатирующихся на высоких эллиптических и геостационарных орбитах. Поэтому создание ТРП классов “солнечные отражатели” и “истинные поглотители”, обладающих стабильными терморадиационными характеристиками и одновременно антистатическими свойствами при длительной эксплуатации в космосе, с низким газовыделением является одной из важных задач космонавтики XXI в. Разработка таких покрытий позволит снизить до минимума отклонения от заданного теплового режима, уменьшить сбои в работе и отказы высокочувствительной оптической и радиоэлектронной аппаратуры, что даст возможность увеличить САС КА до 15 лет.

Перспективными направлениями для решения этой задачи являются:

разработка комбинированных или модифицированных термостойких и радиационно стойких связующих с низким газовыделением (акриловых, кремнийорганических, уретановых смол);

подбор или разработка эффективных стабилизаторов деградации в условиях космического воздействия;

разработка белых или черных пигментов, в том числе с повышенной электропроводностью, устойчивых к длительному воздействию;

разработка съемных покрытий с целью защиты на период изготовления и хранения узлов и изделий до 5 лет.

Перспективные полимерные конструкционные композиционные материалы. Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет.

Сотовые материалы (трехслойные) из углепластика в несущих элементах конструкций в сравнении с однослойными (монолитными) при заданных условиях эксплуатации и увеличении нагрузок при заданной массе элемента обеспечат:

снижение массы элемента конструкции на 40-50 % и повышение его жесткости на 60-80 %;

повышение надежности на 20-25 % и увеличение гарантийного срока на 60-70 % .

Кроме того, этот вид материалов позволит обеспечить специальные электрофизические свойства (например, для антенн радиолокаторов), а также требования по теплостойкости и теплопроводности.

Баллоны давления. Легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением,успешно применяются в ракетно-космической технике. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов. Применение органе- и стекловолокон позволит создавать долговечные баллоны давления с высоким коэффициентом весового совершенства.

Телескопы. Создание элементов прецизионной аппаратуры связано с обеспечением неизменяемости их геометрических размеров (размеростабильности) при изменении в широком диапазоне (±150 °С) температурного поля. Будут разработаны технологии, которые позволят создавать полимерные композиционные материалы из углепластика, обеспечивающие высокую размеростабильность элементов аппаратуры для заданного температурного поля.

“Интеллектуальные” материалы. Прогресс техники и технологии неразрывно связан с разработкой и внедрением новых материалов. В последнее десятилетие наряду с постоянным совершенствованием существующих материалов, обусловливающих существенный технический и экономический эффект благодаря уникальному сочетанию свойств, наметились тенденции создания новых материалов, способных к активному взаимодействию с внешними факторами. Такие материалы получили названия “интеллектуальных”, “умных”, “мудрых” и т.п. Они способны “ощущать” свое физическое состояние, внешние воздействия и особым образом реагировать на эти “ощущения”, т.е. способны осуществлять самодиагностику по возникновению и развитию дефекта, его устранение и стабилизировать свое состояние в критических зонах.

Вследствие многообразия свойств “интеллектуальных” материалов они могут применяться в различных элементах конструкций ракетно-космической техники (корпусы, обтекатели, отсеки, узлы трения и др.). Применение таких материалов позволит контролировать и прогнозировать состояние различных конструкций и сооружений в требуемый момент времени и даже на труднодоступных участках, значительно повысить ресурс систем и их надежность. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90 % современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности “интеллектуальными”, что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.

Уплотнительные и герметизирующие материалы. Несмотря на существующее разнообразие уплотнительных и герметизирующих материалов есть большая потребность в разработке новых, перспективных материалов, ориентированных на потребности космонавтики XXI в. Она возникла в связи с ужесточающимися требованиями по сокращению числа технологических процессов при производстве изделий, расширению температурного интервала, работоспособности и сроков активного существования КА и средств выведения. Ставятся задачи по созданию новых классов резин, герметиков и компаундов (в том числе токопроводных резин и герметиков; термо-, морозо-, агрессивостойких резин; термо-, агрессивостойких анаэробных герметиков; теплопроводных, поглощающих СВЧ-энергию компаундов). Токопроводные резины и герметики с повышенными в 1,5-2 раза техническими характеристиками благодаря совершенствованию технологических процессов обеспечат снятие статического электричества с КА и позволят увеличить САС с 5 до 10-15 лет.

Радиационно-стойкие смазочные материалы необходимы для обеспечения надежной работы узлов трения в различных газовых и жидких средах в широком интервале температур в наземных условиях и открытом космосе в течение 10-15 лет. Пластичные смазки являются универсальным эксплуатацонно-консервационным средством защиты деталей и машин от климатического воздействия при их хранении. Разрабатываемые смазки должны быть эффективны в любой климатической зоне и пригодны при длительном хранении даже на открытых площадках.

Конструкционный клей с повышенной эластичностью и низким газовыделением. В настоящее время для крепления элементов солнечных батарей, кронштейнов и других деталей, проведения ремонтных работ на нагруженных поверхностях космической техники широко применяются вибро-, ударопрочные, стойкие к термоциклированию эпоксикремнийорганические клеи. Их существенным недостатком является значительное газовыделение (до 8 %) при воздействии вакуума и повышенных температур. Выделяющиеся газообразные продукты загрязняют рабочие поверхности оптико-электронных приборов, установленных на КА и часто определяющих их работоспособность. В целях обеспечения чистоты приборов (продления сроков их надежной работы) для наружных поверхностей изделий РКТ следует разработать и применять материалы (в том числе и клеи) с общей потерей массы не более 1,0 % и выделением легко конденсируемых веществ не более 0,1 %.

Для склеивания разнородных материалов в условиях термоциклирования и высоких вибрационных и ударных нагрузок необходимо применять клеи с повышенной эластичностью в сочетании с высокой прочностью (до 20 МПа). Токопроводные клеи предназначаются для создания электрических контактов в тех случаях, когда горячая пайка является неприемлемой или невозможной – в труднодоступных местах стыков экранных перегородок и корпуса.

В изделиях РКТ токопроводные конструкционные клеи с достаточной прочностью склеивания применяются в приборах систем управления для:

крепления токопроводящих элементов, монтажа электрических схем радиоэлектронной аппаратуры;

экранирования отдельных узлов в конструкциях сложной формы, электрогерметизации сборочных единиц.

В настоящее время появились научно-технологические предпосылки для создания токопроводящих клеев холодного отверждения, не содержащих драгоценных металлов, предназначенных для создания высоконадежных электропроводящих соединений в приборах СУ изделий РКТ, экранирования отдельных мест (труднодоступных для пайки) в конструкциях сложной формы. Создание токопроводных клеев с хорошими конфекционными свойствами позволит снимать статические электрические заряды с поверхности КА и, следовательно, повысить надежность и продолжительность работы элементов радиоэлектронной аппаратуры, существенно снизить пожароопасность изделий.

Материалы на основе углерода. В области разработок новых материалов на основе углерода дальнейшее развитие получит создание углерод-углеродных, углерод-карбидных композиционных материалов, которые найдут широкое применение в РКТ (элементы двигательных установок, теплозащиты, осколочно- и радиационно-защитных экранов, радиопрозрачных конструкций и т.д.) и при более высоких эксплуатационных характеристиках, но и при увеличении стоимости, позволят получить снижение массы изделий на 30-50%.

Технологии управления. В области перспективных технологий управления необходимо выделить в качестве первоочередного решение следующих задач: управление многоспутниковыми распределенными космическими системами (в том числе и на базе микро- и наноспутников); разработка самообучающихся автономных систем управления на основе нейросетевых технологий, искусственного интеллекта; уменьшение наземной инфраструктуры средств управления; обеспечение безопасности использования космического пространства в условиях его засоренности и увеличения числа разворачиваемых КА.

Анализ тенденций развития орбитальных средств (ОС) в конце XX в. позволяет предположить, что для первой половины XXI в. будут характерны следующие основные особенности их развития. Первая особенность будет связана со значительной концентрацией усилий в области космической связи в интересах создания многоспутниковых систем низкоорбитальной связи. В качестве примера на рис. приведено ожидаемое изменение относительного числа орбитальных средств различного целевого назначения, развернутых в области ближнего космоса. При этом до середины XXI в. сохранится ведущая роль орбитальных средств связи и передачи данных, развернутых в области геостационарной орбиты, и средств навигации в области средних орбит.

Второй ведущей тенденцией развития космоса в первой половине XXI в. будет значительное увеличение числа орбитальных средств и систем (в первую очередь на основе малых КА, а также микро- и наноспутников), функционирующих в области ближнего космоса.

При этом ожидается существенное увеличение относительного числа малых КА, в том числе и наноспутников, при снижении доли больших КА при решении различных задач.

Необходимо отметить, что первоочередное развитие рассмотрен-ных технологий будет основой развития космонавтики XXI в.

Западноевропейский космический консорциум Arianespace уже более 10 лет эксплуатирует семейство РН среднего класса Ariane-4 (первый пуск РН Ariane-4 был осуществлен 15 июня 1988 г.), коэффициент надежности которой составляет 0,97. Модификации этой РН позволили вывести около 1400 спутников. Ниже описаны модификации, эксплуатируемые в настоящее время. В процессе реализации программы создания трехступенчатой РН Ariane-4 было изготовлено 6…

Аэрокосмическая промышленность – одна из динамично развивающихся, наукоемких, прибыльных и перспективных отраслей мировой экономики. В последние годы эта отрасль охвачена процессами, которые изучаются многими специалистами различного профиля – политологами, экономистами, юристами и т.д. Этот интерес вызван стремлением понять и, по возможности, направлять эти процессы, прогнозировать их дальнейший ход и последствия. Разные авторы используют свои термины…

Учитывая перспективы развития и совершенствования науки и технологий, прогнозируемые потребности государственных и коммерческих структур в использовании космоса,можно сделать вывод, что характерной чертой космической деятельности в XXI в. будет не только стремление к достижению новых количественных и качественных рубежей в развитии космических систем, но и создание новых высокотехнологичных космических средств и систем различного целевого назначения, затрагивающих…

История пилотируемой космонавтики началась 12 апреля 1961 г., когда советский летчик-космонавт Юрий Гагарин совершил первый космический полет продолжительностью 108 минут и навсегда вошел в историю развития нашей цивилизации. Это событие аккумулировало в себе титанические усилия и накопленный научно-технический потенциал ракетно-космической отрасли СССР. Пилотируемое освоение космоса давалось нелегко. Достижения и свершения сопровождались потерями и трагедиями. Мрачный…

Требования к НКУ определяются целевым назначением управляемых КА, выполняемыми ими на орбите функциями и баллистической структурой орбитальной группировки КА. Автоматические КА ближнего и среднего космоса, к которым относятся К А для исследования природных ресурсов Земли, геодезии, связи и телевещания, в большинстве своем не требуют при штатной эксплуатации высокой оперативности управления. Программы работы бортовых систем КА…

Проблема определения юридических границ космического пространства – одна из важнейших и до сих пор не решенных проблем международного космического права. С одной стороны, необходимо обеспечить действие принципа уважения полного и исключительного суверенитета государств на их воздушное пространство с другой – свободу мирного использования и исследования космического пространства. В решении этой проблемы существует два противоположных по…

К РН промежуточного класса (по американской классификации) можно отнести находящиеся в настоящее время в Китае в эксплуатации две модификации базовой трехступенчатой РН Чанчжэн-3 (CZ-3): Чанчжэн-ЗА (CZ-3A) и Чанчжэн-3В (CZ-3B),npинципиально не отличающиеся от базовой РН Чанчжэн-3,а также РН Чанчжэн-2Е (CZ-2E). Зарубежные специалисты считают эти РН идентичными американской РН среднего класса Delta-2. На РН Чанчжэн-3 китайцы впервые…

Причины, вызвавшие к жизни и продолжающие подпитывать процесс реструктуризации аэрокосмических фирм за рубежом, условно могут быть разделены на три группы: военно-политические, экономические и ресурсные. В основе военно-политических причин лежат новые условия, складывающиеся в мире после завершения “холодной войны”, когда сокращения выделяемых на военные нужды ассигнований привели к уменьшению военных заказов. Так, с 1987 по 1994…

В области систем мониторинга следует выделить ряд приоритетных направлений развития, связанных как с повышением глобальности и оперативности наблюдения земной поверхности и околоземного пространства космическими средствами,так и с повышением эффективности решения задач прогноза и контроля, в том числе перспективные методы прогноза и контроля опасных природных явлений, биоэнергоинформационного состояния районов, городов, сельскохозяйственных угодий, пастбищ, геологического изучения территории…

В создание движителей для вывода полезных нагрузок в космос огромный вклад внесли наши соотечественники. Будучи приговоренным к смертной казни, студент медико-хирургической академии Николай Иванович Кибальчич (1853-1881 гг.) передал в адвокатуру не просьбу о помиловании, а свой “Проект воздухоплавательного прибора”. В этом проекте он высказал идею ракетного летательного аппарата. Н.И. Кибальчич писал, что если его идея…

За последние годы космос вновь стал тем, о чем все чаще говорят. О нем говорят везде - в новостях, газетах, по радио и, в конце концов, просто дома на кухне. И стоит отметить, что говорят совсем не зря. Человечество в очередной раз обратило пристальное внимание на небеса и старается дотянуться если не до звезд, то до соседних планет уж точно. Однако если кто-то думает, что речь сегодня пойдет о чем-то астрономическом, то он ошибается, речь пойдет немного об ином, о металлах и сплавах.

Думаю, не стоит лишний раз напоминать, какое значение имеют достижения металлургов в деле развития космической программы человечества. А вот поговорить о том, что осваивая космос, перед металлургией открываются новые технологические возможности, не только можно, но и нужно. О каких возможностях идет речь? Да все и так понятно – в невесомости меняются не только процессы течения жидкостей, но и процессы теплопереноса, а стало быть, появилась возможность использовать новые, ранее не опробованные способы получения и переработки металлических материалов.

Так, например, под действием поверхностного натяжения, расплав принимает форму шара и свободно зависает в пространстве. Как в свое время показали советские и американские исследования, расплавленный метал (медь), за 3 секунды превращается в шар, который в диаметре составляет 10 сантиметров. Однако интересно не это, а то, что металл в итоге не загрязняется никакими примесями, что в земных условиях сделать практически невозможно.

Далее полученному шару придают необходимую форму с помощью электрических и магнитных полей. Интерес представляет еще один эксперимент американцев, благодаря которому удалось узнать, что в глубоком космосе некоторые материалы просто-напросто испаряются. В основном это кадмий, цинк и сплавы магния. А наиболее устойчивыми металлами оказались вольфрам, сталь, платина и как ни удивительно, титан.

Собственно, именно титан наиболее всего заслуживает внимания. Дело в том, что титан на сегодняшний день является одним из самых важных конструкционных материалов. Связанно это в первую очередь с сочетанием легкости этого металла с прочностью и тугоплавкостью. Ни для кого не секрет, что на основе титана было создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники. Например, очень интересным свойством обладает сплав титана с никелем, который практически в прямом смысле «запоминает» свою форму. И если на холоде изделие из данного сплава можно сжимать в небольшой шар, то при нагревании, материал вновь приобретает первоначальный вид.

Узнавая все больше о свойствах металла в космосе и познавая новые металлургические возможности в получении отливок, некоторые бизнесмены забегают вперед в своих рассуждениях не только на словах. Еще писатели-фантасты вроде Айзека Азимова упоминали в своих произведениях реализацию добычи ископаемых не с родной Земли, а с астероидов. Эту идею долгое время вынашивали и обсуждали, считая, что добыча в космосе является заведомо не выгодным делом. Однако сколько людей, столько и мнений, поэтому буквально год назад стартовала новая космическая программа фонда X-Prize во главе с Питером Диамандисом, который считает, что выгоде быть. И пусть добычей металлов сразу заниматься X-Prize не планирует, однако он, возможно, станет настоящим пионером. Более подробно о задумке Диамандиса можно прочитать, просто кликнув сюда.

Андрей Суворов
Апрель 2007

Из каких материалов строят космические корабли, бороздящие бескрайние просторы Вселенной.

Через месяц исполнится ровно полвека первому старту ракеты Р-7, который состоялся 15 мая 1957 года. Эта ракета, которая до сих пор носит всех наших космонавтов, является безусловным триумфом конструкторской идеи над конструкционным материалом. Интересно, что ровно через 30 лет после ее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты «Энергия», которая, наоборот, использовала массу экзотических материалов, недоступных 30 лет назад.

Когда Сталин поставил перед Королевым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новы для тогдашней советской промышленности, но к 1955 году уже исчезли проблемы, которые могли бы помешать конструкторам воплощать идеи. К тому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, даже в 1955 году не отличались новизной - ведь нужно было учитывать затраты времени и денег при серийном производстве ракеты. Поэтому основой ее конструкции стали давно освоенные алюминиевые сплавы.

Раньше модно было называть алюминий «крылатым металлом», подчеркивая, что если конструкция не ездит по земле или по рельсам, а летает, то она обязательно должна быть выполнена из алюминия. На самом деле крылатых металлов много, и это определение давно вышло из моды. Спору нет, алюминий хорош, достаточно дешев, сплавы его сравнительно прочны, он легко обрабатывается и т.д. Но из одного алюминия самолет не построишь. А в поршневом самолете и дерево оказывалось вполне уместным (даже в ракете Р-7 в приборном отсеке есть фанерные перегородки!). Унаследовав алюминий от авиации, этим металлом стала пользоваться и ракетная техника. Но тут-то как раз и обнаружилась узость его возможностей.

Алюминий

«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен.

Чтобы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его чаще всего зовем) - такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервые его предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав, кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резко повышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полную прочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», а после термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали из него соединяют клепкой и болтами.

В ракете он годится только на «сухие» отсеки - клепаная конструкция не гарантирует герметичности под давлением. Сплавы, содержащие магний (обычно не больше 6%), можно деформировать и сваривать. Именно их больше всего на ракете Р-7 (в частности, из них изготовлены все баки).

Американские инженеры имели в своем распоряжении более прочные алюминиевые сплавы, содержащие до десятка разных компонентов. Но прежде всего наши сплавы проигрывали заокеанским по разбросу свойств. Понятно, что разные образцы могут немного отличаться по составу, а это приводит к разнице в механических свойствах. В конструкции часто приходится полагаться не на среднюю прочность, а на минимальную, или гарантированную, которая у наших сплавов могла быть заметно ниже средней.

В последней четверти XX века прогресс в металлургии привел к появлению алюминий-литиевых сплавов. Если до этого добавки в алюминий были направлены только на увеличение прочности, то литий позволял сделать сплав заметно более легким. Из алюминий-литиевого сплава был сделан бак для водорода ракеты «Энергия», из него же делают сейчас и баки «Шаттлов».

Наконец, самый экзотический материал на основе алюминия - боралюминиевый композит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле в стеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Этот материал только-только начал внедряться в отечественную космонавтику - из него сделана ферма между баками последней модификации разгонного блока «ДМ-SL», задействованного в проекте «Морской старт».

Выбор конструктора за прошедшие 50 лет стал намного богаче. Тем не менее как тогда, так и сейчас алюминий - металл №1 в ракете. Но, конечно же, есть и целый ряд других металлов, без которых ракета не сможет полететь.

Железо

Незаменимый элемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей - второй по применению металл в ракетах.

Везде, где нагрузка не распределена по большой конструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия.

Какой же металл можно поставить на треье место «по ракетности»? Ответ может показаться очевидным. Титан? Оказывается, вовсе нет.

Медь

Основной металл электро- и тепловой техники. Ну разве не странно? Довольно тяжелый, не слишком прочный, по сравнению со сталью - легкоплавкий, мягкий, по сравнению с алюминием - дорогой, но тем не менее незаменимый металл.

Все дело в чудовищной теплопроводности меди - она больше в десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению с дорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди по теплопроводности, а заодно и по температуре плавления. А нужна эта бешеная теплопроводность в самом сердце ракеты - в ее двигателе. Из меди делают внутреннюю стенку ракетного двигателя, ту, которая сдерживает трехтысячеградусный жар ракетного сердца. Чтобы стенка не расплавилась, ее делают составной - наружная, стальная, держит механические нагрузки, а внутренняя, медная, принимает на себя тепло.

В тоненьком зазоре между стенками идет поток горючего, направляющегося из бака в двигатель, и тут-то выясняется, что медь выигрывает у стали: дело в том, что температуры плавления отличаются на какую-то треть, а вот теплопроводность - в десятки раз. Так что стальная стенка прогорит раньше медной. Красивый «медный» цвет сопел двигателей Р-7 хорошо виден на всех фотографиях и в телерепортажах о вывозе ракет на старт.

В двигателях ракеты Р-7 внутренняя, «огневая», стенка сделана не из чистой меди, а из хромистой бронзы, содержащей всего 0,8% хрома. Это несколько снижает теплопроводность, но одновременно повышает максимальную рабочую температуру (жаростойкость) и облегчает жизнь технологам - чистая медь очень вязкая, ее тяжело обрабатывать резанием, а на внутренней рубашке нужно выфрезеровать ребра, которыми она прикрепляется к наружной. Толщина оставшейся бронзовой стенки - всего миллиметр, такой же толщины и ребра, а расстояние между ними - около 4 миллиметров.

Чем меньше тяга двигателя, тем хуже условия охлаждения - расход топлива меньше, а относительная поверхность соответственно больше. Поэтому на двигателях малой тяги, применяемых на космических аппаратах, приходится использовать для охлаждения не только горючее, но и окислитель - азотную кислоту или четырехокись азота. В таких случаях медную стенку для защиты нужно покрывать хромом с той стороны, где течет кислота. Но и с этим приходится смиряться, поскольку двигатель с медной огневой стенкой эффективнее.

Справедливости ради скажем, что двигатели со стальной внутренней стенкой тоже существуют, но их параметры, к сожалению, значительно хуже. И дело не только в мощности или тяге, нет, основной параметр совершенства двигателя - удельный импульс - в этом случае становится меньше на четверть, если не на треть. У «средних» двигателей он составляет 220 секунд, у хороших - 300 секунд, а у самых-пресамых «крутых и навороченных», тех, которых на «Шаттле» три штуки сзади, - 440 секунд. Правда, этим двигатели с медной стенкой обязаны не столько совершенству конструкции, сколько жидкому водороду. Керосиновый двигатель даже теоретически таким сделать невозможно. Однако медные сплавы позволили «выжать» из ракетного топлива до 98% его теоретической эффективности.

Серебро

Драгоценный металл, известный человечеству с древности. Металл, без которого не обойтись нигде. Как гвоздь, которого не оказалось в кузнице в известном стихотворении, он держит на себе все.

Именно он связывает медь со сталью в жидкостном ракетном двигателе, и в этом, пожалуй, проявляется его мистическая сущность. Ни один из других конструкционных материалов не имеет никакого отношения к мистике - мистический шлейф веками тянется исключительно за этим металлом. И так было в течение всей истории его использования человеком, существенно более долгой, чем у меди или железа. Что уж говорить об алюминии, который был открыт только в девятнадцатом столетии, а стал относительно дешевым и того позже - в двадцатом.

За все годы человеческой цивилизации у этого необыкновенного металла было огромное количество применений и разнообразных профессий. Ему приписывали множество уникальных свойств, люди использовали его не только в своей технической и научной деятельности, но и в магии. К примеру, долгое время считалось, что «его боится всевозможная нечисть».

Главным недостатком этого металла была дороговизна, из-за чего его всегда приходилось расходовать экономно, точнее, разумно - так, как требовало очередное применение, которое ему придумывали неугомонные люди. Рано или поздно ему находили те или иные заменители, которые с течением времени с бОльшим или меньшим успехом вытесняли его.

Сегодня, практически на наших глазах, он исчезает из такой прекрасной сферы деятельности человека, как фотография, которая в течение почти полутора столетий делала нашу жизнь более живописной, а летописи - более достоверными. А пятьдесят (или около того) лет назад он стал утрачивать позиции в одном из древнейших ремесел - чеканке монет. Конечно, монеты из этого металла выпускают и сегодня - но исключительно для нашего с вами развлечения: они давно перестали быть собственно деньгами и превратились в товар - подарочный и коллекционный.

Возможно, когда физики изобретут телепортацию и ракетные двигатели будут уже не нужны, наступит последний час и еще одной сферы его применения. Но пока что найти ему адекватную замену не удалось, и этот уникальный металл остается в ракетостроении вне конкуренции - так же, как и в охоте на вампиров.

Вы уже наверняка догадались, что все вышесказанное относится к серебру. Со времен ГИРДа и до сих пор единственным способом соединения частей камеры сгорания ракетных двигателей остается пайка серебряными припоями в вакуумной печи или в инертном газе. Попытки найти бессеребряные припои для этой цели ни к чему пока не привели. В отдельных узких областях эту задачку иногда удается решить - например, холодильники сейчас чинят с помощью медно-фосфорного припоя, - но в ЖРД замены серебру нет. В камере сгорания большого ЖРД его содержание достигает сотен граммов, а иногда доходит до килограмма.

Драгоценным металлом серебро называют скорее по многотысячелетней привычке, есть металлы, которые не считаются драгоценными, но стЧят намного дороже серебра. Взять хотя бы бериллий. Этот металл втрое дороже серебра, но и он находит применение в космических аппаратах (правда, не в ракетах). Главным образом он получил известность благодаря способности замедлять и отражать нейтроны в ядерных реакторах. В качестве конструкционного материала его стали использовать позже.

Конечно, невозможно перечислить все металлы, которые можно назвать гордым именем «крылатые», да и нет в этом нужды. Монополия металлов, существовавшая в начале 1950-х годов, давно уже нарушена стеклои углепластиками. Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовых ракетах, а вот в самолетах они внедряются гораздо шире. Углепластиковые обтекатели, прикрывающие полезную нагрузку, и углепластиковые сопла двигателей верхних ступеней уже существуют и постепенно начинают составлять конкуренцию металлическим деталям.

Но с металлами, как известно из истории, люди работают уже приблизительно десять тысяч лет, и не так-то просто найти равноценную замену этим материалам.

Титан и титановые сплавы

Самый модный металл космического века.

Вопреки широко распространенному мнению, титан не очень широко применяется в ракетной технике - из титановых сплавов в основном делают газовые баллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавы становятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом или жидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. На космическом корабле ТКС, который, правда, так ни разу и не полетел с космонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздух для него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана с рабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19 килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллон такой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!

05Фев

Легендарная ракета Р-7 является безусловным триумфом конструкторской идеи над конструкционным материалом. Интересно, что ровно через 30 лет после ее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты «Энергия», которая, наоборот, использовала массу экзотических материалов, недоступных в 1957 году.

Когда Сталин поставил перед С.П. Королёвым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новы для тогдашней советской промышленности, но к 1955 году уже исчезли проблемы, которые могли бы помешать конструкторам воплощать идеи. К тому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, даже в 1955 году не отличались новизной - ведь нужно было учитывать затраты времени и денег при серийном производстве ракеты. Поэтому основой ее конструкции стали давно освоенные алюминиевые сплавы.

Раньше модно было называть алюминий «крылатым металлом», подчеркивая, что если конструкция не ездит по земле или по рельсам, а летает, то она обязательно должна быть выполнена из алюминия. На самом деле крылатых металлов много, и это определение давно вышло из моды. Спору нет, алюминий хорош, достаточно дешев, сплавы его сравнительно прочны, он легко обрабатывается и т. д. Но из одного алюминия самолет не построишь. А в поршневом самолете и дерево оказывалось вполне уместным (даже в ракете Р-7 в приборном отсеке есть фанерные перегородки!). Унаследовав алюминий от авиации, этим металлом стала пользоваться и ракетная техника. Но тут-то как раз и обнаружилась узость его возможностей.

Алюминий

«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен. Чтобы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его чаще всего зовем) - такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервые его предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав, кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резко повышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полную прочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», а после термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали из него соединяют клепкой и болтами.

Железо

Какой же металл можно поставить на третье место «по ракетности»? Ответ может показаться очевидным. Титан? Оказывается, вовсе нет.

Медь

Серебро

Главным недостатком этого металла была дороговизна, из-за чего его всегда приходилось расходовать экономно, точнее, разумно - так, как требовало очередное применение, которое ему придумывали неугомонные люди. Рано или поздно ему находили те или иные заменители, которые с течением времени с большим или меньшим успехом вытесняли его.

Драгоценным металлом серебро называют скорее по многотысячелетней привычке, есть металлы, которые не считаются драгоценными, но стóят намного дороже серебра. Взять хотя бы бериллий. Этот металл втрое дороже серебра, но и он находит применение в космических аппаратах (правда, не в ракетах). Главным образом он получил известность благодаря способности замедлять и отражать нейтроны в ядерных реакторах. В качестве конструкционного материала его стали использовать позже.

Конечно, невозможно перечислить все металлы, которые можно назвать гордым именем «крылатые», да и нет в этом нужды. Монополия металлов, существовавшая в начале 1950-х годов, давно уже нарушена стекло- и углепластиками. Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовых ракетах, а вот в самолетах они внедряются гораздо шире. Углепластиковые обтекатели, прикрывающие полезную нагрузку, и углепластиковые сопла двигателей верхних ступеней уже существуют и постепенно начинают составлять конкуренцию металлическим деталям.

Титан и титановые сплавы

Самый модный металл космического века.

Категории: / / от