Металл для космических кораблей

Обновлено: 08.07.2024

К сожалению, наши технологии не достигли такого этапа развития, чтобы один материал мог применяться для совершенно разных целей. Но, тем не менее, человечество оказалась достаточно развито для того, чтобы использовать в своих целях огромное число природных и искусственно созданных материалов: металлов, керамики, полимеры.

Давайте же поговорим подробнее про том, какие материалы и для чего использует человечество.

Металлы

Это основные конструкционные материалы для изделий ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий, в некоторых случаях, составляет более 90 %. Это ничуть не удивительно, что человек стал использовать в космической промышленности именно металлы. Это наиболее подходящий по совокупности характеристик класс материалов.

Начало развития серьезной космонавтики пришлось на конец Второй Мировой войны и послевоенный период, к тому моменту широко было освоено производство и использование алюминия и его модификаций для нужд авиации. Очень легкий и имеющий неплохую прочность, он был первым материалом из которого делались обшивка ракет и некоторые конструкционные элементы.

Из сплава алюминия и лития, например, были сделаны баллоны для водорода на "Энергии" и американском шаттле.

Вторым в списке, но точно не по значению и не по проценту использования, идет сталь. Сталь, в отличие от алюминия, обладает более высокими прочностными свойствами, обладает веской вибрационной стойкостью. Что это значит? А то, что при использовании стальных деталей, можно уменьшать их толщину, до разумных пределов, а, следовательно, и массу, для критически важных деталей. В итоге получаем легкую, но прочную деталь, в добавок еще и коррозионно стойкую.

Со временем, сталь начала вытесняется титаном, еще более легким и прочным материалом, но будучи более тяжелым в обработке титан все еще не вытеснил сталь из космической отрасли.

Медь. От банального примера проводов я откажусь и скажу, что медь используется для покрытия стенок сопел ракетных двигателей у "Союзов" связано это с её тугоплавкостью. Сейчас, на смену меди идут более технологичные, удобные в обработке материалы по типу: графита, эрозионно стойких пластмасс и углепластика. Но это я забежал немного вперед.

Часто на спутниках и вторых, третьих ступенях ракет можно увидеть серебряную или золотую фольгу. Часто это целый теплозащитный пирог из разных материалов, слоев алюминиевых листов, разделенных специальным термически непрозрачным пластиком или графитовой пеной. Назначение этих фольг, защита аппаратов от перегрева и чрезмерного охлаждения.

"Золотая фольга" термозащита для спутника

Если интересна эта тема, то советую это видео "Why Won't it Melt? How NASA's Solar Probe will Survive the Sun".

Полимеры

При возвращении на Землю, проходя через плотные слои атмосферы, спускаемый аппарат или корабль сильно нагреваются. И под сильно, я имею ввиду очень сильно, до такой степени, что на определенном этапе вокруг капсулы возникает слой плазмы достигающей температуры 1400 градусов Цельсия.

Рисунок возвращения спускаемой капсулы на Землю

А вот, например, шкала температур нагрева для "Бурана". Колоссальные температуры!

Поэтому, с ранних пор развития космонавтики, перед конструкторами и технологами встал острый вопрос обеспечения теплозащиты для кораблей, возвращающихся и космоса. Изначально для этих целей были разработаны специальные пластмассы на основе феноло-формальдегидных смол, обладающие хорошими теплопоглощающими свойствами. В начале 60-х годов были разработаны также Новые материалы на основе эпоксидных смол.

У такой защиты был существенный минус до поры до времени не волновавший специалистов из отрасли. Дело в том, что такая защита была одноразовая. Испытывая воздействие температур, защита разрушалась тем самым уберегая корабль. Но с развитием космической техники и с появлением идеей по созданию многоразовых кораблей такой метод защиты был не выгоден. Нужны были новые решения

Керамика

Да, керамика — это не только красивые сервизы или статуэтки, это еще и важный материал для космической отрасли.

Инженеры NASA при разработке шаттла пришли к выводу, что керамика обладает рядом уникальных особенностей таких как: высокая термостойкость, малый коэффициент расширения при нагреве, легкость материала и еще ряд важных параметров.

Решено было делать термозащитные плитки для «Спейс Шаттла» по керамической технологии. Защита состояла из: кварцевого барьерного слоя, излучающего слоя, состоящего из высококремнеземного стекла и излучающего агента, глазурованный слой толщиной от 2 до 4 мм, состоящий из высококремнеземного стекла и боросиликатного стекла в соотношении от 3:1 до 19:1

Астронавты осматривают теплозащиту шаттла

Пара слов про спутники и АМС

Все то что написано выше, справедливо и для космических аппаратов, и для АМС. Сталь и алюминий заменяется на титан. Там, где можно отказываются от металла его заменяют композитами, углеродными материалами, пластмассами.

Да, пока до полного отказа от металла далеко, но некогда прочному, термостойкому и надежному материалу находят замену, подчас еще более прочную, легкую и, что тоже важно, дешевую и более простую в производстве.

Быть может, когда-нибудь в космос будут летать не огромные металлические монстры, а легкие ракеты из переработанных материалов, а просторы космоса будут бороздить корабли причудливых форм из органических выращенных или напечатанных материала. Кто знает?

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.

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

Какие металлы используют в ракетах?

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.

Из каких металлов строят космические корабли, бороздящие бескрайние просторы Вселенной

Черезмесяц исполнится ровно полвека первому старту ракеты Р-7, которыйсостоялся 15 мая 1957 года. Эта ракета, которая до сих пор носит всехнаших космонавтов, является безусловным триумфом конструкторской идеинад конструкционным материалом. Интересно, что ровно через 30 лет послеее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты"Энергия", которая, наоборот, использовала массу экзотическихматериалов, недоступных 30 лет назад.

Когда Сталин поставилперед Королевым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новыдля тогдашней советской промышленности, но к 1955 году уже исчезлипроблемы, которые могли бы помешать конструкторам воплощать идеи. Ктому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, даже в 1955году не отличались новизной – ведь нужно было учитывать затраты времении денег при серийном производстве ракеты. Поэтому основой ееконструкции стали давно освоенные алюминиевые сплавы.

Раньшемодно было называть алюминий "крылатым металлом", подчеркивая, что есликонструкция не ездит по земле или по рельсам, а летает, то онаобязательно должна быть выполнена из алюминия. На самом деле крылатыхметаллов много, и это определение давно вышло из моды. Спору нет,алюминий хорош, достаточно дешев, сплавы его сравнительно прочны, онлегко обрабатывается и т.д. Но из одного алюминия самолет не построишь.А в поршневом самолете и дерево оказывалось вполне уместным (даже вракете Р-7 в приборном отсеке есть фанерные перегородки!). Унаследовавалюминий от авиации, этим металлом стала пользоваться и ракетнаятехника. Но тут-то как раз и обнаружилась узость его возможностей.

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

Чтобыон стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делатьсплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мыего чаще всего зовем) – такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервыеего предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав,кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резкоповышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки:его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полнуюпрочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», апосле термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали изнего соединяют клепкой и болтами.

В ракете он годится только на"сухие" отсеки – клепаная конструкция не гарантирует герметичности поддавлением. Сплавы, содержащие магний (обычно не больше 6%), можнодеформировать и сваривать. Именно их больше всего на ракете Р-7 (вчастности, из них изготовлены все баки).

Американские инженерыимели в своем распоряжении более прочные алюминиевые сплавы, содержащиедо десятка разных компонентов. Но прежде всего наши сплавы проигрывализаокеанским по разбросу свойств. Понятно, что разные образцы могутнемного отличаться по составу, а это приводит к разнице в механическихсвойствах. В конструкции часто приходится полагаться не на среднююпрочность, а на минимальную, или гарантированную, которая у нашихсплавов могла быть заметно ниже средней.

В последней четверти XXвека прогресс в металлургии привел к появлению алюминий-литиевыхсплавов. Если до этого добавки в алюминий были направлены только наувеличение прочности, то литий позволял сделать сплав заметно болеелегким. 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 – боралюминиевыйкомпозит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле встеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Этотматериал только-только начал внедряться в отечественную космонавтику –из него сделана ферма между баками последней модификации разгонногоблока "ДМ-SL", задействованного в проекте "Морской старт".

Выборконструктора за прошедшие 50 лет стал намного богаче. Тем не менее кактогда, так и сейчас алюминий – металл №1 в ракете. Но, конечно же, естьи целый ряд других металлов, без которых ракета не сможет полететь.

Незаменимыйэлемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразныхвысокопрочных нержавеющих сталей – второй по применению металл вракетах.

Везде, где нагрузка не распределена по большойконструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, стальвыигрывает у алюминия.

Сталь жестче – конструкция из стали,размеры которой не должны "плыть" под нагрузкой, получается почтивсегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь гораздо лучшепереносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, заисключением самых экзотических сортов, сталь, в конце концов, нужна длястартового сооружения, без которого ракета – ну, сами понимаете.

Нои баки ракеты могут быть стальными. Удивительно? Да. Однако перваяамериканская межконтинентальная ракета Atlas использовала баки именноиз тонкостенной нержавеющей стали. Для того чтобы стальная ракетавыиграла у алюминиевой, многое пришлось радикально изменить. Толщинастенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20дюйма), выше использовались более тонкие листы, и у самого верхакеросинового бака толщина составляла всего 0,254 миллиметра (0,01дюйма). А водородный разгонный блок Centaur, сделанный по такому жепринципу, имеет стенку толщиной всего лишь с лезвие бритвы – 0,127миллиметра!

В процессеизготовления стенки подпираются специальными держателями изнутри. Самаясложная стадия этого процесса – приварка днища к цилиндрической части.Ее обязательно нужно было выполнить за один проход, в результате ее втечение шестнадцати часов делали несколько бригад сварщиков, по двепары каждая; бригады сменяли друг друга через четыре часа. При этомодна из двух пар работала внутри бака.

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

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

Основнойметалл электро- и тепловой техники. Ну разве не странно? Довольнотяжелый, не слишком прочный, по сравнению со сталью – легкоплавкий,мягкий, по сравнению с алюминием – дорогой, но тем не менее незаменимыйметалл.

Все дело в чудовищной теплопроводности меди – она большев десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению сдорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди потеплопроводности, а заодно и по температуре плавления. А нужна этабешеная теплопроводность в самом сердце ракеты – в ее двигателе. Измеди делают внутреннюю стенку ракетного двигателя, ту, котораясдерживает трехтысячеградусный жар ракетного сердца. Чтобы стенка нерасплавилась, ее делают составной – наружная, стальная, держитмеханические нагрузки, а внутренняя, медная, принимает на себя тепло.

Втоненьком зазоре между стенками идет поток горючего, направляющегося избака в двигатель, и тут-то выясняется, что медь выигрывает у стали:дело в том, что температуры плавления отличаются на какую-то треть, авот теплопроводность – в десятки раз. Так что стальная стенка прогоритраньше медной. Красивый "медный" цвет сопел двигателей Р-7 хорошо виденна всех фотографиях и в телерепортажах о вывозе ракет на старт.

Вдвигателях ракеты Р-7 внутренняя, "огневая", стенка сделана не изчистой меди, а из хромистой бронзы, содержащей всего 0,8% хрома. Этонесколько снижает теплопроводность, но одновременно повышаетмаксимальную рабочую температуру (жаростойкость) и облегчает жизньтехнологам – чистая медь очень вязкая, ее тяжело обрабатывать резанием,а на внутренней рубашке нужно выфрезеровать ребра, которыми онаприкрепляется к наружной. Толщина оставшейся бронзовой стенки – всегомиллиметр, такой же толщины и ребра, а расстояние между ними – около 4миллиметров.

Чем меньше тяга двигателя, тем хуже условияохлаждения – расход топлива меньше, а относительная поверхностьсоответственно больше. Поэтому на двигателях малой тяги, применяемых накосмических аппаратах, приходится использовать для охлаждения не толькогорючее, но и окислитель – азотную кислоту или четырехокись азота. Втаких случаях медную стенку для защиты нужно покрывать хромом с тойстороны, где течет кислота. Но и с этим приходится смиряться, посколькудвигатель с медной огневой стенкой эффективнее.

Справедливостиради скажем, что двигатели со стальной внутренней стенкой тожесуществуют, но их параметры, к сожалению, значительно хуже. И дело нетолько в мощности или тяге, нет, основной параметр совершенствадвигателя – удельный импульс – в этом случае становится меньше начетверть, если не на треть. У "средних" двигателей он составляет 220секунд, у хороших – 300 секунд, а у самых-пресамых "крутых инавороченных", тех, которых на "Шаттле" три штуки сзади, – 440 секунд.Правда, этим двигатели с медной стенкой обязаны не столько совершенствуконструкции, сколько жидкому водороду. Керосиновый двигатель дажетеоретически таким сделать невозможно. Однако медные сплавы позволили"выжать" из ракетного топлива до 98% его теоретической эффективности.

Именно он связывает медьсо сталью в жидкостном ракетном двигателе, и в этом, пожалуй,проявляется его мистическая сущность. Ни один из других конструкционныхматериалов не имеет никакого отношения к мистике – мистический шлейфвеками тянется исключительно за этим металлом. И так было в течениевсей истории его использования человеком, существенно более долгой, чему меди или железа. Что уж говорить об алюминии, который был открыттолько в девятнадцатом столетии, а стал относительно дешевым и тогопозже – в двадцатом.

За все годы человеческой цивилизации уэтого необыкновенного металла было огромное количество применений иразнообразных профессий. Ему приписывали множество уникальных свойств,люди использовали его не только в своей технической и научнойдеятельности, но и в магии. К примеру, долгое время считалось, что "егобоится всевозможная нечисть".

Главным недостатком этого металлабыла дороговизна, из-за чего его всегда приходилось расходоватьэкономно, точнее, разумно – так, как требовало очередное применение,которое ему придумывали неугомонные люди. Рано или поздно ему находилите или иные заменители, которые с течением времени с большим илименьшим успехом вытесняли его.

Сегодня, практически на нашихглазах, он исчезает из такой прекрасной сферы деятельности человека,как фотография, которая в течение почти полутора столетий делала нашужизнь более живописной, а летописи – более достоверными. А пятьдесят(или около того) лет назад он стал утрачивать позиции в одном издревнейших ремесел – чеканке монет. Конечно, монеты из этого металлавыпускают 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 изобретуттелепортацию и ракетные двигатели будут уже не нужны, наступитпоследний час и еще одной сферы его применения. Но пока что найти емуадекватную замену не удалось, и этот уникальный металл остается вракетостроении вне конкуренции – так же, как и в охоте на вампиров.

Выуже наверняка догадались, что все вышесказанное относится к серебру. Современ ГИРДа и до сих пор единственным способом соединения частейкамеры сгорания ракетных двигателей остается пайка серебряными припоямив вакуумной печи или в инертном газе. Попытки найти бессеребряныеприпои для этой цели ни к чему пока не привели. В отдельных узкихобластях эту задачку иногда удается решить – например, холодильникисейчас чинят с помощью медно-фосфорного припоя, – но в ЖРД заменысеребру нет. В камере сгорания большого ЖРД его содержание достигаетсотен граммов, а иногда доходит до килограмма.

Драгоценнымметаллом серебро называют скорее по многотысячелетней привычке, естьметаллы, которые не считаются драгоценными, но стоят намного дорожесеребра. Взять хотя бы бериллий. Этот металл втрое дороже серебра, но ион находит применение в космических аппаратах (правда, не в ракетах).Главным образом он получил известность благодаря способности замедлятьи отражать нейтроны в ядерных реакторах. В качестве конструкционногоматериала его стали использовать позже.

Конечно, невозможноперечислить все металлы, которые можно назвать гордым именем"крылатые", да и нет в этом нужды. Монополия металлов, существовавшая вначале 1950-х годов, давно уже нарушена стеклои углепластиками.Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовыхракетах, а вот в самолетах они внедряются гораздо шире. Углепластиковыеобтекатели, прикрывающие полезную нагрузку, и углепластиковые сопладвигателей верхних ступеней уже существуют и постепенно начинаютсоставлять конкуренцию металлическим деталям.

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

Титан и титановые сплавы

Самый модный металл космического века.

Вопрекишироко распространенному мнению, титан не очень широко применяется вракетной технике – из титановых сплавов в основном делают газовыебаллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавыстановятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом илижидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. Накосмическом корабле ТКС, который, правда, так ни разу и не полетел скосмонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздухдля него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана срабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллонтакой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!

Читайте также: