Ракетні метали з яких матеріалів будують космічні кораблі - Цікаві факти та корисні поради
Пізнавальний журнал Evrokom.su
Ракетні метали: з яких матеріалів будують космічні кораблі
Коли Сталін поставив перед С.П. Королевим завдання копіювання Фау-2, багато її матеріалів були нові для тодішньої радянської промисловості, але до 1955 року вже зникли проблеми, які б перешкодити конструкторам втілювати ідеї. До того ж матеріали, використані при створенні ракети Р-7, навіть у 1955 році не відрізнялися новизною, адже треба було враховувати витрати часу та грошей при серійному виробництві ракети. Тому основою її конструкції стали давно освоєні алюмінієві сплави.
Раніше модно було називати алюміній «крилатим металом», підкреслюючи, що якщо конструкція не їздить землею або рейками, а літає, то вона обов'язково повинна бути виконана з алюмінію. Насправді крилатих металів багато, і це визначення давно вийшло з моди. Безперечно, алюміній хороший, досить дешевий, сплави його порівняно міцні, він легко обробляється і т. д. Але з одного алюмінію літак не побудуєш. А в поршневому літаку та дерево виявлялося цілком доречним (навіть у ракеті Р-7 у приладовому відсіку є фанерні перегородки!). Успадкувавши алюміній від авіації, цим металом почала користуватися і ракетна техніка. Але саме тут і виявилася вузькість його можливостей.
"Крилатий метал", улюбленець авіаконструкторів. Чистий алюміній втричі легший за сталі, дуже пластичний, але не дуже міцний.Щоб він став добрим конструкційним матеріалом, з нього доводиться робити сплави. Історично першим був дуралюмін (дюралюміній, дюраль, як ми його найчастіше називаємо) — таке ім'я дала сплаву німецька фірма, яка вперше запропонувала його в 1909 році (від назви міста Дюрен). Цей сплав, крім алюмінію, містить невеликі кількості міді та марганцю, що різко підвищують його міцність та жорсткість. Але є у дюралю і недоліки: його не можна зварювати і складно штампувати (потрібна термообробка). Повну міцність він набирає з часом, цей процес назвали «старінням», а після термообробки старіти сплав потрібно заново. Тому деталі з нього з'єднують клепкою та болтами.
У ракеті він годиться лише на «сухі» відсіки — клепана конструкція не гарантує герметичність під тиском. Сплави, що містять магній (зазвичай не більше 6%), можна деформувати та зварювати. Саме їх найбільше на ракеті Р-7 (зокрема з них виготовлені всі баки).
Американські інженери мали у своєму розпорядженні міцніші алюмінієві сплави, що містять до десятка різних компонентів. Але насамперед наші сплави програвали заокеанським з розкиду властивостей. Зрозуміло, різні зразки можуть трохи відрізнятися за складом, а це призводить до різниці в механічних властивостях. У конструкції часто доводиться покладатися не на середню міцність, а на мінімальну, або гарантовану, яка у наших сплавів могла бути помітно нижчою за середню.
В останній чверті XX століття прогрес у металургії призвів до появи алюмінієво-літієвих сплавів. Якщо раніше добавки в алюміній були спрямовані тільки на збільшення міцності, то літій дозволяв зробити сплав помітно легшим. З алюміній-літієвого сплаву було зроблено бак для водню ракети «Енергія», з нього роблять і баки «Шаттлов».
Нарешті, найекзотичніший матеріал на основі алюмінію — боралюмінієвий композит, де алюмінію відведена та сама роль, що й епоксидній смолі у склопластику: він утримує разом високоміцні волокна бору. Цей матеріал тільки-но почав впроваджуватися у вітчизняну космонавтику — з нього зроблена ферма між баками останньої модифікації розгінного блоку «ДМ-SL», задіяного в проекті «Морський старт».
Вибір конструктора за минулі 50 років став набагато багатшим. Тим не менш, як тоді, так і зараз алюміній — метал №1 у ракеті. Але, звичайно ж, є й ціла низка інших металів, без яких ракета не зможе полетіти.
Незамінний елемент будь-яких інженерних конструкцій. Залізо у вигляді різноманітних високоміцних нержавіючих сталей – другий по застосуванню метал у ракетах.
Скрізь, де навантаження не розподілена за великою конструкцією, а зосереджена в точці або кількох точках, сталь виграє у алюмінію.
Сталь жорсткіший — конструкція зі сталі, розміри якої не повинні «плисти» під навантаженням, виходить майже завжди компактнішими і іноді навіть легшими за алюмінієву. Сталь краще переносить вібрацію, більш терпима до нагрівання, сталь дешевше, за винятком найекзотичніших сортів, сталь, зрештою, потрібна для стартової споруди, без якої ракета — ну, самі розумієте…
Але й баки ракети можуть бути залізними. Дивно? Так. Проте перша американська міжконтинентальна ракета Atlas використовувала баки саме з нержавіючої сталі. Для того, щоб сталева ракета виграла у алюмінієвої, багато чого довелося радикально змінити. Товщина стінок баків у рухового відсіку досягала 1,27 міліметра (1/20 дюйма), вище використовувалися більш тонкі листи, і у самого верху гасового бака товщина становила всього 0,254 міліметра.(0,01 дюйми). А водневий розгінний блок Centaur, зроблений за таким же принципом, має стінку завтовшки лише з лезо бритви — 0,127 міліметра!
Настільки тонка стінка сумнівається навіть під власним вагою, тому форму вона тримає виключно за рахунок внутрішнього тиску: з моменту виготовлення баки герметизуються, наддуваються і зберігаються при підвищеному внутрішньому тиску.
У процесі виготовлення стіни підпираються спеціальними тримачами зсередини. Найскладніша стадія цього процесу - приварювання днища до циліндричної частини. Її обов'язково потрібно було виконати за один прохід, в результаті її протягом шістнадцятої години робили кілька бригад зварювальників, по дві пари кожна; бригади змінювали одна одну за чотири години. При цьому одна із двох пар працювала всередині бака.
Нелегка, що й казати, робота. Але на цій ракеті американець Джон Гленн вперше вийшов на орбіту. Та й далі вона мала славну і довгу історію, а блок Centaur літає й донині. У «Фау-2», між іншим, корпус теж був сталевим — від сталі повністю відмовилися тільки на ракеті Р-5, там сталевий корпус виявився непотрібним завдяки головній частині, що відокремлюється.
Який метал можна поставити на третє місце «по ракетності»? Відповідь може здатися очевидною. Титан? Виявляється, зовсім ні.
Основний метал електро- та теплової техніки. Ну, хіба не дивно? Досить важкий, не надто міцний, порівняно зі сталлю — легкоплавкий, м'який, порівняно з алюмінієм — дорогий, проте незамінний метал.
Вся справа в жахливій теплопровідності міді — вона більша в десять разів у порівнянні з дешевою сталлю та в сорок разів у порівнянні з дорогою нержавійкою. Алюміній теж програє міді за теплопровідністю, а заразом і за температурою плавлення. Апотрібна ця шалена теплопровідність у самому серці ракети — у її двигуні. З міді роблять внутрішню стінку ракетного двигуна, ту, що стримує тритисячоградусний жар ракетного серця. Щоб стінка не розплавилася, її роблять складовою - зовнішня, сталева, тримає механічні навантаження, а внутрішня, мідна, бере на себе тепло.
У тоненькому зазорі між стінками йде потік пального, що прямує з бака в двигун, і тут з'ясовується, що мідь виграє у сталі: річ у тому, що температури плавлення відрізняються на якусь третину, а ось теплопровідність — у десятки разів. Так що сталева стінка прогорить раніше за мідну. Гарний «мідний» колір сопел двигунів Р-7 добре видно на всіх фотографіях і телерепортажах про вивезення ракет на старт.
У двигунах ракети Р-7 внутрішня, «вогнева» стінка зроблена не з чистої міді, а з хромистої бронзи, що містить всього 0,8% хрому. Це дещо знижує теплопровідність, але одночасно підвищує максимальну робочу температуру (жаростійкість) і полегшує життя технологам - чиста мідь дуже в'язка, її важко обробляти різанням, а на внутрішній сорочці потрібно вифрезерувати ребра, якими вона прикріплюється до зовнішньої. Товщина бронзової стінки, що залишилася, — всього міліметр, такої ж товщини і ребра, а відстань між ними — близько 4 міліметрів.
Що менше тяга двигуна, то гірші умови охолодження — витрата палива менша, а відносна поверхня відповідно більша. Тому на двигунах малої тяги, що застосовуються на космічних апаратах, доводиться використовувати для охолодження не тільки пальне, а й окислювач — азотну кислоту або чотирикіс азоту. У таких випадках мідну стінку для захисту потрібно покривати хромом з того боку де кислота тече. Але і з цим доводиться упокорюватися,оскільки двигун з мідною вогневою стінкою ефективніший.
Заради справедливості скажемо, що двигуни зі сталевою внутрішньою стінкою теж існують, але їх параметри, на жаль, значно гірші. І справа не тільки в потужності чи тязі, ні, основний параметр досконалості двигуна - питомий імпульс - у цьому випадку стає менше на чверть, якщо не на третину. У «середніх» двигунів він становить 220 секунд, у добрих — 300 секунд, а у «найпресаміших» крутих і наворочених, тих, яких на «Шаттлі» три штуки ззаду, — 440 секунд. Щоправда, цим двигуни з мідною стінкою зобов'язані не так досконалості конструкції, як рідкому водню. Гасовий двигун навіть теоретично таким зробити неможливо. Однак мідні сплави дозволили "вичавити" з ракетного палива до 98% його теоретичної ефективності.
Дорогоцінний метал, відомий людству з давніх-давен. Метал, без якого не обійтись ніде. Як цвях, якого не було в кузні у відомому вірші, він тримає на собі все.
Саме він пов'язує мідь зі сталлю в рідинному ракетному двигуні, і в цьому, мабуть, проявляється його містична сутність. Жоден з інших конструкційних матеріалів не має жодного відношення до містики - містичний шлейф століттями тягнеться виключно за цим металом. І так було протягом усієї історії його використання людиною, суттєво довшою, ніж у міді чи заліза. Що вже казати про алюміній, який був відкритий лише в дев'ятнадцятому столітті, а став відносно дешевим і того згодом — у двадцятому.
За всі роки людської цивілізації цей незвичайний метал мав величезну кількість застосувань і різноманітних професій. Йому приписували безліч унікальних властивостей, люди використовували його не лише у своїй технічній та науковійдіяльності, а й у магії. Наприклад, довгий час вважалося, що «його боїться всіляка погань».
Головним недоліком цього металу була дорожнеча, через що його завжди доводилося витрачати економно, точніше, розумно - так, як вимагало чергове застосування, яке йому вигадували невгамовні люди. Рано чи пізно йому знаходили ті чи інші замінники, які з часом з більшим чи меншим успіхом витісняли його.
Сьогодні, практично на наших очах, він зникає з такої прекрасної сфери діяльності людини, як фотографія, яка протягом майже півтора століття робила наше життя мальовничішим, а літописи — достовірнішими. А п'ятдесят (або близько того) років тому він почав втрачати позиції в одному з найдавніших ремесел — карбуванні монет. Звичайно, монети з цього металу випускають і сьогодні — але виключно для нашої з вами розваг: вони давно перестали бути власне грошима і перетворилися на товар — подарунковий та колекційний.
Можливо, коли фізики винайдуть телепортацію і ракетні двигуни вже не будуть потрібні, настане остання година і ще однієї сфери його застосування. Але поки що знайти йому адекватну заміну не вдалося, і цей унікальний метал залишається в ракетобудуванні поза конкуренцією — так само, як і в полюванні вампірів.
Дорогоцінним металом срібло називають швидше за багатотисячолітньою звичкою, є метали, які не вважаються дорогоцінними, але коштують набагато дорожче за срібло. Взяти бодай берилій. Цей метал втричі дорожчий за срібло, але і він знаходить застосування в космічних апаратах (правда, не в ракетах). Головним чином він отримав популярність завдяки здатності уповільнювати та відображати нейтрони в ядерних реакторах. Як конструкційний матеріал його стали використовувати пізніше.
Звичайно,неможливо перерахувати всі метали, які можна назвати гордим ім'ям «крилаті», та й немає цього потреби. Монополія металів, що існувала на початку 1950-х років, давно вже порушена скло- та вуглепластиками. Дорожнеча цих матеріалів уповільнює їх поширення в одноразових ракетах, а ось у літаках вони впроваджуються набагато ширше. Вуглепластикові обтічники, що прикривають корисне навантаження, і вуглепластикові сопла двигунів верхніх щаблів вже існують і поступово починають конкурувати металевим деталям.
Але з металами, як відомо з історії, люди працюють вже приблизно десять тисяч років, і не так просто знайти рівноцінну заміну цим матеріалам.
Титан та титанові сплави
Наймодніший метал космічного віку.
Всупереч поширеній думці, титан не дуже широко застосовується в ракетній техніці — з титанових сплавів переважно роблять газові балони високого тиску (особливо для гелію). Титанові сплави стають міцнішими, якщо помістити їх у баки з рідким киснем або рідким воднем, що дозволяє знизити їх масу. На космічному кораблі ТКС, який, щоправда, так жодного разу й не полетів із космонавтами, привід стикувальних механізмів був пневматичним, повітря для нього зберігалося в кількох 36-літрових шар-балонах з титану з робочим тиском 330 атмосфер. Кожен такий балон важив 19 кілограмів. Це майже вп'ятеро легше, ніж стандартний зварювальний балон такої ж місткості, але розрахований на вдвічі менший тиск!