19 апреля

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.

Алюминий

"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.

Железо

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!

Столь тонкая стенка сомнется даже под собственнойтяжестью, поэтому форму она держит исключительно за счет внутреннегодавления: с момента изготовления баки герметизируются, наддуваются ихранятся при повышенном внутреннем давлении.

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.

Медь

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.

Серебро

Драгоценныйметалл, известный человечеству с древности. Металл, без которого необойтись нигде. Как гвоздь, которого не оказалось в кузнице в известномстихотворении, он держит на себе все.

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!