Из какого металла делают космические корабли
Обновлено: 05.05.2024
Космические сплавы выдерживают перепады температур, устойчивы к внешним факторам и не дают микротрещин, которые могут привести к поломкам и авариям.
Современная ракета состоит из множества различных материалов, но именно металлы составляют конструкционную основу современной космической техники.
«Крылатый металл» алюминий перешел из авиации в ракетостроение. Но здесь выяснилось, что его свойства не до конца удовлетворяют потребности конструкторов. Он хоть легкий и пластичный, но недостаточно прочный. Поэтому чаще используют дуралюмин или дюралюминий. В этом сплаве (а точнее – в целой группе сплавов) содержится не только алюминий, но и достаточное количество меди и марганца, которые повышают его прочность и жесткость. Однако такой материал плохо поддается сварке. Дюралюминиевые части, как правило, соединяют клепкой и болтами, что не гарантирует герметичность. Поэтому дуралюмин применяют в так называемых «сухих» отсеках ракет.
В космонавтике чаще используются сплавы алюминия с магнием (до 6%), которые можно деформировать и сваривать. Из подобного сплава был создан корпус первого искусственного спутника земли – того самого шарика, который в октябре 1957 года был выведен на орбиту Земли. Также из алюминиево-магниевого сплава были изготовлены баки Р-7 – двухступенчатой баллистической ракеты, которая стала первой советской ракетой-носителем.
Космическая гонка между привела к разработке и появлению большого количества более прочных сплавов на основе алюминия, в составе которых было до десятка компонентов. Но самыми прочными и легкими оказались сплавы из алюминия и лития.
Хоть сплавы «авиационного металла» остаются №1 по объемам использования в космической технике, но и сталь для авиационно-космической промышленности – незаменимый материал. Как в прошлом, так и сейчас. От цельных стальных корпусов, отказались после начала производства ракет, состоящих из нескольких ступеней. Но и сейчас есть космическая сталь – это различные марки «нержавейки».
Этот металл выигрывает у алюминиевых сплавов в жесткости. Конструкции из нержавеющей стали, которые должны выдерживать космические перегрузки и не деформироваться, получаются более компактными и легкими. К тому же сталь, даже самых экзотических марок, дешевле.
Сейчас из нержавеющей стали производят баки для ракетного топлива. При этом стенки этих огромных конструкций очень тонкие. Например, американский разгонный блок Centaur имеет толщину стенок 0,51 мм. Чтобы это изделие высотой 12,68 м и диаметром 3,05 м не сминалось под собственным весом, его форму поддерживают за счет искусственно созданного внутреннего давления. Фактически его надувают как воздушный шарик.
Третий по распространенности металл, который используют в ракетах – это медь. Он тяжелый и дорогой, но имеет фантастическую теплопроводность. Поэтому из медных сплавов (как правило, это хромистая бронза) делают внутреннюю стенку ракетного двигателя. Она выдерживает жар в 3000°C, который вырывается из сопел во время старта.
Среди других металлов, которые нашли свое место в ракетной технике, можно выделить титан и серебро. Они важны с технологической точки зрения. Но вот объемы использования – незначительные. Ведь при выводе космического корабля на орбиту важен каждый килограмм, а удельный вес титана в 1,6 раза больше, чем у алюминия. При этом металлический титан и его сплавы, равно как и серебро, гораздо дороже стали и алюминиевых сплавов.
Сталь в ракетостроении
В современном мире на замену металлам и сплавам (в частности, стали) все чаще приходят стекло- и углепластик. Космическая сфера – не исключение. Например, корпуса американских многоразовых космических челноков (шаттлов) имели систему тепловой защиты из семи разных волокнистых и керамических материалов.
Еще одна новация – использование больших 3D-принтеров, которые могут создавать цельные элементы космических кораблей сложной формы. Акцент на такую возможность делают некоторые частные космические фирмы. Но что примечательно, среди используемых материалов – различные металлические сплавы. Новая технология позволяет избежать сварки, гибки и других операций, которые, как мы помним, невозможны с некоторыми легкими металлами.
А что же думает Илон Маск о будущем космонавтики? Можно ли использовать сталь для космических аппаратов?
В конце 2018 года в одном из интервью он сообщил, что сверхтяжелая ракета-носитель Starship, которая должна обеспечить доставку грузов на Луну и Марс, будет создана из нержавеющей стали. Это проще, дешевле и быстрее.
По его словам, 1 килограмм углеродного волокна стоит 135 долларов США. А с учетом отбраковки – до $200. К тому же его нужно очень много. А вот цена 1 кг стали стоит около $3. И она не является дефицитом, так как в мире много производителей листовой нержавеющей стали. Уже разработаны и испытаны специальные сплавы, которые хорошо выдерживают перепады температур. Они устойчивы к внешним факторам и не дают микротрещин, которые могут привести к поломкам и авариям. А нержавеющая сталь с добавлением хрома и никеля хорошо переносит и сверхнизкие температуры ракетного топлива.
В результате исследований, в марте 2019 года на заводе Маска было демонтировано многомиллионное оборудование для производства углепластикового корпуса ракеты, на который первоначально была сделана ставка. А 29 сентября того же года во время презентации полноразмерного прототипа Starship от компании SpaceX, Маск сказал, что благодаря использованию стали, на материалы для одной ракеты будет потрачено не $ 400-500 млн., а лишь $ 10 млн! И это будут корабли многоразового использования.
Проверенные временем: из каких металлов строят современные ракеты
Первый старт ракеты Р-7 состоялся 15 мая 1957 года. А ведь этот корабль до сих пор носит всех наших космонавтов и 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 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.
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!
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. 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. Какой же металл можно поставить на третье место «по ракетности»? Ответ может показаться очевидным. Титан? Оказывается, вовсе нет.
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 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. Но с металлами, как известно из истории, люди работают уже приблизительно десять тысяч лет, и не так-то просто найти равноценную замену этим материалам.
Сам себе ракетостроитель: взлетаем самостоятельно
Мало кто из моих ровесников не увлекался постройкой моделей ракет. Может, сказывалось всемирное увлечение человечества пилотируемыми полетами, а может, кажущаяся простота постройки модели. Картонная трубка с тремя стабилизаторами и головным обтекателем из пенопласта или бальсы, согласитесь, намного проще даже элементарной модели самолета или автомобиля. Правда, энтузиазм большинства молодых Королевых, как правило, улетучивался на этапе поиска ракетного двигателя. Оставшимся ничего не оставалось, как осваивать азы пиротехники.
Между Главным конструктором наших ракет Сергеем Королевым и Главным конструктором наших ракетных двигателей Валентином Глушко шла негласная борьба за звание Самого Главного: кто же действительно важнее, конструктор ракет или двигателей для них? Глушко приписывают крылатую фразу, якобы брошенную им в разгар такого спора: «Да я к своему двигателю забор привяжу — он на орбиту выйдет!» Впрочем, эти слова — отнюдь не пустое бахвальство. Отказ от «глушковских» двигателей привел к краху королевской лунной ракеты H-1 и лишил СССР каких-либо шансов на победу в лунной гонке. Глушко же, став генеральным конструктором, создал сверхмощную ракету-носитель «Энергия», превзойти которую до сих пор никому не удается.
Двигатели из патронов
Та же закономерность работала и в любительском ракетостроении — выше летала ракета, у которой был более мощный двигатель. Несмотря на то что первые ракетомодельные двигатели появились в СССР еще до войны, в 1938 году, Евгений Букш, автор вышедшей в 1972 году книги «Основы ракетного моделизма», взял за основу такого двигателя картонную гильзу охотничьего патрона. Мощность определялась калибром исходной гильзы, а производились двигатели двумя пиротехническими мастерскими ДОСААФ вплоть до 1974 года, когда было принято решение об организации в стране ракетомодельного спорта. Для участия в международных соревнованиях потребовались двигатели, подходящие по своим параметрам под требования международной федерации.
Их разработка была поручена Пермскому НИИ полимерных материалов. Вскоре была выпущена опытная партия, на основе которой и начал развиваться советский ракетомодельный спорт. С 1982 года с перебоями заработало серийное производство двигателей на государственном казенном заводе «Импульс» в украинской Шостке — в год выпускали 200−250 тысяч экземпляров. Несмотря на жесткий дефицит таких двигателей, это был период расцвета советского любительского модельного ракетостроения, который закончился в 1990 году одновременно с закрытием производства в Шостке.
Двигательный тюнинг
Качество серийных двигателей, как нетрудно догадаться, для серьезных соревнований не годилось. Поэтому рядом с заводом в 1984 году появилось мелкосерийное опытное производство, обеспечивавшее своей продукцией сборную страны. Особенно выделялись двигатели, частным образом изготовленные мастером Юрием Гапоном.
А в чем, собственно, сложность производства? По своей сути ракетомодельный двигатель — простейшее устройство: картонная трубка с запрессованным внутри дымным порохом марки ДРП-3П (дымный ружейный порох 3-й состав для прессованных изделий) с керамической заглушкой с соплом-дыркой с одной стороны и пыжом с вышибным зарядом — с другой. Первая проблема, с которой не справлялось серийное производство, — точность дозировки, от которой зависел и конечный суммарный импульс двигателя. Вторая — качество корпусов, которые часто давали трещины при прессовании под давлением в три тонны. Ну и третья — собственно, качество запрессовки. Впрочем, проблемы с качеством возникали не только в нашей стране. Не блещут им и серийные ракетомодельные двигатели другой великой космической державы — США. А лучшие модельные двигатели делают микроскопические предприятия в Чехии и Словакии, откуда их контрабандой провозят для особо важных мероприятий.
Тем не менее при социализме двигатели, пусть неважные и с дефицитом, но были. Сейчас же их нет вообще. Отдельные детские ракетомодельные студии летают на старых, еще советских запасах, закрывая глаза на то, что срок годности давно вышел. Спортсмены пользуются услугами пары мастеров-одиночек, а если повезет, то и контрабандными чешскими двигателями. Любителям же остается единственный путь — перед тем как стать Королевым, сначала стать Глушко. То есть делать двигатели самим. Чем, собственно, и занимались я и мои друзья в детстве. Слава богу, пальцы и глаза у всех остались на месте.
Из всех искусств
Из всех искусств для нас важнейшим является кино, любил поговаривать Ильич. Для ракетомоделистов-любителей середины прошлого века — тоже. Ибо кино- и фотопленка того времени делалась из целлулоида. Туго свернутая в небольшой рулончик и засунутая в бумажную трубку со стабилизаторами, она позволяла взлететь простейшей ракете на высоту пятиэтажного дома. У таких двигателей было два главных недостатка: первый — небольшая мощность и, как следствие, высота полета; второй — невозобновимость запасов целлулоидной пленки. Например, фотоархива моего отца хватило всего на пару десятков запусков. Сейчас, кстати, жалко.
Максимальная высота при фиксированном суммарном импульсе двигателя достигалась при кратковременном четырехкратном скачке мощности на старте и дальнейшем переходе на ровную среднюю тягу. Скачок тяги достигался формированием отверстия в топливном заряде.
Второй вариант двигателей собирался, так сказать, из отходов деятельности Советской армии. Дело в том, что при стрельбах на артиллерийских полигонах (а один из них как раз находился неподалеку от нас) метательный заряд при выстреле выгорает не до конца. И если хорошенько поискать в траве перед позициями, можно было найти довольно много трубчатого пороха. Самая несложная ракета получалась в результате простого заворачивания такой трубки в обычную фольгу от шоколадки и поджигания с одного конца. Летала такая ракета, правда, невысоко и непредсказуемо, зато весело. Мощный двигатель получался при собирании длинных трубок в пакет и заталкивании их в картонный корпус. Из обожженной глины изготавливалось и примитивное сопло. Работал такой двигатель очень эффектно, поднимал ракету довольно высоко, но часто взрывался. К тому же на артиллерийский полигон не особо походишь.
Третий вариант представлял собой попытку почти промышленного изготовления ракетомодельного двигателя на самодельном дымном порохе. Делали его из калиевой селитры, серы и активированного угля (он постоянно заклинивал родительскую кофемолку, на которой я его измельчал в пыль). Признаюсь честно, мои пороховые двигатели работали с перебоями, поднимая ракеты всего на пару десятков метров. Причину я узнал лишь пару дней назад — запрессовывать двигатели нужно было не молотком в квартире, а школьным прессом в лаборатории. Но кто бы, спрашивается, меня в седьмом классе пустил запрессовывать ракетные двигатели?!
Два редчайших двигателя, которые удалось достать "ПМ": МРД 2, 5-3-6 и МРД 20-10-4. Из советских запасов ракетомодельной секции в Детском доме творчества на Воробьевых горах.
Работа с ядами
Вершиной же моей двигателестроительной деятельности стал довольно ядовитый двигатель, работавший на смеси цинковой пыли и серы. Оба ингредиента я выменял у одноклассника, сына директора городской аптеки, на пару резиновых индейцев, самую конвертируемую валюту моего детства. Рецепт я почерпнул в жутко редкой переводной польской ракетомодельной книжке. И двигатели набивал в папином противогазе, который хранился у нас в кладовке, — в книжке особый упор делался на токсичность цинковой пыли. Первый пробный запуск был проведен в отсутствие родителей на кухне. Столб пламени из зажатого в тисках двигателя с ревом устремился к потолку, прокоптив на нем пятно диаметром в метр и наполнив квартиру таким вонючим дымом, с каким не сравнится и коробка выкуренных сигар. Вот эти-то двигатели и обеспечили мне рекордные запуски — метров, наверное, на пятьдесят. Каково же было мое разочарование, когда через двадцать лет я узнал, что детские ракеты нашего научного редактора Дмитрия Мамонтова летали в разы выше!
1, 2, 4) При наличии заводского ракетного двигателя с постройкой простейшей ракеты справится и школьник начальных классов. 3) Продукт самодеятельного творчества - двигатель из патронной гильзы.
На удобрениях
Двигатель Дмитрия был проще и технологичнее. Основной компонент его ракетного топлива — это натриевая селитра, которая продавалась в хозяйственных магазинах как удобрение в мешках по 3 и 5 кг. Селитра служила окислителем. А в качестве горючего выступала обычная газета, которая и пропитывалась перенасыщенным (горячим) раствором селитры, а затем высушивалась. Правда, селитра в процессе сушки начинала кристаллизоваться на поверхности бумаги, что приводило к замедлению горения (и даже гашению). Но тут вступало в действие ноу-хау — Дмитрий проглаживал газету горячим утюгом, буквально вплавляя селитру в бумагу. Это стоило ему испорченного утюга, но зато такая бумага горела очень быстро и стабильно, выделяя большое количество горячих газов. Набитые свернутой в тугой рулон селитрованной бумагой картонные трубки с импровизированными соплами из бутылочных пробок взлетали на сотню-другую метров.
Карамель
Параноидальный запрет российских властей на продажу населению разных химреактивов, из которых можно изготовить взрывчатку (а ее можно изготовить практически из всего, хоть из древесных опилок), компенсируется доступностью через интернет рецептов практически всех видов ракетного топлива, включая, например, состав горючего для ускорителей «Шаттла» (69,9% перхлората аммония, 12,04% полиуретана, 16% алюминиевой пудры, 0,07% оксида железа и 1,96% отвердителя).
Картонные или пенопластовые корпуса ракет, топливо на основе пороха кажутся не очень серьезными достижениями. Но как знать - может, это первые шаги будущего конструктора межпланетных кораблей?
Безусловным хитом любительского ракетного двигателестроения сейчас являются так называемые карамельные двигатели. Рецепт топлива прост до неприличия: 65% калиевой селитры KNO3 и 35% сахара. Селитра подсушивается на сковородке, после чего измельчается в обычной кофемолке, медленно добавляется в расплавленный сахар и застывает. Итогом творчества становятся топливные шашки, из которых можно набирать любые двигатели. В качестве корпусов двигателей и форм прекрасно подходят стреляные гильзы от охотничьих патронов — привет тридцатым! Гильзы в неограниченном количестве есть на любом стрелковом стенде. Хотя признанные мастера рекомендуют использовать не сахарную, а сорбитовую карамель в тех же пропорциях: сахарная развивает большее давление и, как следствие, раздувает и прожигает гильзы.
Ситуация, можно сказать, вернулась в 1930-е годы. В отличие от других видов модельного спорта, где недостаток отечественных двигателей и прочих комплектующих можно компенсировать импортом, в ракетомодельном спорте это не проходит. У нас ракетомодельные двигатели приравниваются к взрывчатым веществам, со всеми вытекающими условиями по хранению, транспортировке и провозе через границу. Не родился еще на земле русской человек, способный наладить импорт таких изделий.
Выход один — производство на родине, благо технология тут вовсе не космическая. Но заводы, имеющие лицензии на производство таких изделий, за них не берутся — им этот бизнес был бы интересен лишь при миллионных тиражах. Вот и вынуждены начинающие ракетомоделисты из крупнейшей космической державы летать на карамельных ракетах. Тогда как в Соединенных Штатах сейчас стали появляться уже многоразовые модельные ракетные двигатели, работающие на гибридном топливе: закись азота плюс твердое горючее. Как вы думаете, какая страна лет через тридцать полетит к Марсу?
Удивительные свойства космического металла. Часть 1
Сегодня титан является одним из наиболее популярных металлов. Он очень прочный и легкий, его плотность немногим выше плотности алюминия. При одинаковой прочности титановые конструкции легче стальных на 45 %. Сплавы титана находят применение во многих отраслях промышленности, а особенно в авиакосмической сфере. Благодаря своим уникальным свойствам титан применяется при изготовлении как ортопедических и стоматологических имплантов, так и самолетов последнего поколения и космических кораблей.
Каждая отрасль техники по мере своего развития предъявляет все более разнообразные и высокие требования к металлам. Но наиболее ответственные требования предъявляются к металлам спутников и космических кораблей —в них должен сочетаться весь комплекс лучших механических, физических и химических свойств. Достижения в получении прочных материалов в определенной степени влияют на успехи в освоении космоса. В Северной Америке и Европейском Союзе с развитой аэрокосмической и военной оборонной промышленностью, но особенно в Соединенных Штатах, около 50 % спроса на титановую продукцию приходится на аэрокосмическую и военную оборону.
Титан — материал, жизненно важный для развития авиации, известен как «металл ХХI века». С момента его открытия он относится к редким элементам. Однако его следует считать редким только потому, что титан — новый элемент, сравнительно недавно освоенный человеком. По своей же распространенности во Вселенной и на нашей планете титан редким элементом назвать никак нельзя. Он обнаружен в спектре Солнца и в его атмосфере, а также в атмосфере звезд различных типов. Автоматические космические аппараты зафиксировали наличие титана на Марсе и на Венере, в очень больших количествах — в лунных породах, а на нашей планете титан находят во всех типах пород земной коры, в морях и океанах, в атмосфере и даже в растениях и тканях живых организмов.
НОВАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ТРЕБУЮТ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МЕТАЛЛОВ
Американские ученые проводили эксперименты, чтобы установить, как воздействуют на различные металлы условия космического пространства, в частности глубокий вакуум. Образцы исследуемых материалов помещали в вакуумную камеру с давлением, соответствующим разрежению на высоте 800 км над землей. Были получены интересные результаты. Так, выяснилось, что в этих условиях некоторые металлы — кадмий, цинк и сплавы магния — испаряются. Наиболее устойчивыми оказались сталь, титан, вольфрам и платина. Среди них лидируют титан и его сплавы, уверенно шагнувшие в космос.
Для современных сверхзвуковых самолетов требуется, чтобы они имели относительно низкий структурный весовой коэффициент, что обеспечивает титановый сплав, имеющий прочность, близкую к стали средней прочности, но обладающий низкой плотностью. Вместо конструкционной стали и жаропрочного сплава он позволяет значительно снизить конструкционный вес и стоимость самолета.
Плотность титана равна 4500 кг/м3 при комнатной температуре. Если затрагивать физические свойства титана, то можно отметить его высокую удельную прочность, прочности при высоких температурах, маленькую плотность и коррозийную стойкость. Механическая прочность титана в два раза выше прочности железа и в шесть — алюминия. При высоких температурах, когда легкие сплавы уже не работают (на основе магния и алюминия), на помощь приходят титановые сплавы. К примеру, самолет на высоте в 20 км развивает скорость в три раза выше, чем скорость звука. И температура его корпуса при этом около 300 °С. Такие нагрузки выдерживает только титановый сплав.
Продолжение статьи читайте в январьском номере журнала "Наука и техника" за 2020 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техник
Почему спутники изготавливаются из металла, а не дерева?
По данным некоммерческой организации Union of Concerned Scientists за март 2019 года, на орбите Земли находится более 2000 действующих спутников. Благодаря им ученые могут вести научную деятельность, а обычные люди — смотреть телевизор и пользоваться мобильной связью. Все эти космические аппараты сделаны из сплавов алюминия или титана, но в XXI веке большую популярность обрел углепластик, который представляет собой материал из сплетенных между собой нитей углеродного волокна. Инженеры используют металлы и углепластик из-за их прочности и относительной дешевизны, но у них есть один минус. Когда спутники выходят из строя, они сгорают в атмосфере нашей планеты, в результате чего выбрасывается много относительно вредных веществ. Чтобы сделать спутники более безопасными, японские ученые решили создавать спутники из дерева. Но действительно ли это возможно и насколько это безопасно?
Вряд ли деревянные спутники выглядели бы так, но зарубежные издания используют именно эту картинку
Интересный факт: Сейчас на орбите Земли более 2000 рабочих спутников. Всего же их было создано и запущено больше 9000 штук и большинство из них сгорело в атмосфере, либо превратилось в космический мусор.
Из чего делают спутники?
На данный момент лучшими материалами для изготовления спутников считаются алюминий, титан и углепластик.
Спутники из алюминия
Самый первый спутник в мире был запущен в космос 4 октября 1957 года. Советский «Спутник-1» диаметром 58 сантиметров и массой 83,6 килограмма был сделан из алюминиево-магниевого сплава. Использование этого материала было чем-сто само собой разумеющимся, потому что космическая среда очень сурова и аппараты должны быть максимально защищенными. Да и этот металлический сплав был очень распространен, поэтому вряд ли инженеры долго думали насчет выбора материала — он был очевиден. Советский спутник проработал на орбите 3 месяца и успел сделать 1440 витков вокруг нашей планеты, а материал показал себя с наилучшей стороны. Он выдержал как вакуум, так и космическую радиацию.
Больше интересных фактов о «Спутнике-1» можно почитать в этой статье. Но сначала дочитайте этот материал.
Спутники из титана
Со временем спутников стало больше, поэтому земная орбита стала еще более опасным местом. Орбитальные аппараты выходили из строя и распадались на части, становясь космическим мусором. По данным за 2019 год, вокруг нашей планеты кружат около 1,25 миллиарда фрагментов вышедших из строя аппаратов и скорость их движения достигает 30 000 километров в час. При столкновении они могут нанести работающим спутникам непоправимый вред, поэтому инженерам пришлось делать их из более прочного материала — титана. Но даже он не идеален, потому что стоит дорого и много весит. А ведь чем больше масса спутника, тем дороже обходится его вывод на орбиту Земли.
Прямо сейчас вокруг нашей планеты летают обломки старых спутников
Спутники из углепластика
Стоимость отправки спутника в космос зависит от того, какая компания этим занимается. Вот уже несколько лет много заказов выполняет SpaceX, но похожие услуги предоставляет Rocket Lab и ряд других аэрокосмических компаний. Цены у всех разные, но в среднем за каждый килограмм груза нужно платить около 50 тысяч долларов. А это, между прочим, более 3,5 миллионов рублей. Чтобы снизить стоимость отправки спутников, с относительно недавнего времени инженеры решили изготавливать их из углепластика, который уменьшает массу аппаратов примерно на 35%.
Еще одно хорошее свойство углепластика в том, что он выдерживает нагрузку во время выхода на орбиту
Спутник из дерева
Но ученые продолжают искать материалы получше. Со временем спутники разрушаются в атмосфере Земли и если они сделаны из металла, образуются твердые частицы оксида алюминия. Они могут витать в воздухе на протяжении десятков лет, поэтому ученые допускают их потенциальную опасность для земной природы и даже здоровья людей. Нужна более безопасная альтернатива и недавно сотрудники японской компании Sumitomo Forestry ее нашли — это дерево. Об этом, по крайней мере, сообщило издание Tech Xplore.
Японские ученые хотят поместить электронику в деревянную коробку. Выглядит странно, но почему бы и нет?
Космические спутники обязательно должны сгорать в атмосфере планеты, потому что иначе они превратятся в космический мусор, которого на орбите и так много. По мнению японских исследователей, при сгорании древесины образуется гораздо меньше вредных веществ, чем при уничтожении металла. Да, образующиеся углекислый газ тоже вреден, но спутники маленькие и выбросы должны оказаться безобидными. У дерева есть еще один важный плюс — он отлично пропускает радиоволны, благодаря чему можно значительно упростить систему связи и снизить стоимость спутников.
Первый деревянный спутник будет собран примерно в 2023 году. Наверное, нас ожидает что-то похожее на это
Но есть вопрос — может ли древесина выдерживать суровые условия космоса? Выше я уже упомянул, что на орбите Земли на аппараты воздействуют экстремальные температуры, вакуум и космическая радиация. Оценить прочность древесины ученые намерены в ходе испытаний. А опытный образец деревянного спутника планируется создать уже в 2023 году. Звучит интересно, хоть в потенциал древесины в космической отрасли и слабо верится. Ведь это еще и достаточно дорогой материал, на который и без того наблюдается большой спрос. Вряд ли в ближайшем будущем появится что-то лучше углепластика, ведь доказательств его вредности до сих пор нет — можно спокойно использовать и не изобретать велосипед. А как считаете вы?
А если у вас есть время, очень рекомендую почитать материал о спутнике Capella 2, который позволяет следить за людьми даже сквозь стены. Он принадлежит компании Capella Space, которая предоставляет услуги по шпионажу всем желающим.
Читайте также: