Ракета
Ракета (от итал. rocchetta — маленькое веретено):
- снаряд, взлетающий высоко в воздух при воспламенении наводящегося в нём твёрдого горючего (применяется в военном деле для сигнализации и освещения местности, а также для фейерверков) [1] ;
- летательный аппарат, движущийся под действием реактивной силы (тяги), возникающей при отбрасывании массы сгорающего ракетного топлива (рабочего тела), являющегося частью собственной массы ракеты. В военной терминологии слово «Ракета» обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удалённых объектов (доставка к цели боевого заряда, обычного или ядерного) и использующих для полёта принцип реактивного движения [2] ;
- небольшое пассажирское быстроходное судно на подводных крыльях [1] .
Полёт ракеты не требует наличия атмосферы, что позволяет использовать её в качестве основного технического средства для достижения космического пространства и одного из наиболее эффективных средств доставки боевого заряда в военных действиях. В зависимости от типа применяемого в ракетном двигателе топлива большинство ракет подразделяются на ракеты с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) и с твердотопливными ракетными двигателями. При полёте в атмосфере применяются также воздушно-реактивные двигатели. В перспективе возможно создание ракет, использующих ядерный ракетный двигатель [2] .
- 1 Конструкции ракет
- 2 Ракеты и Космонавтика
- 2.1 Конструкция ракеты для полётов в космос
- 2.1.1 Носовой конус
- 2.1.2 Корпус
- 2.1.3 Крылья
- 2.1.4 Материалы
Конструкции ракет
Ракета состоит из двигательной установки (одного или нескольких двигателей и топливного отсека), полезной нагрузки и некоторых вспомогательных систем и механизмов (система подачи топлива, электрооборудование, рулевые приводы и др.). Большинство ракет оборудованы системой управления (для управляемых ракет), которая обеспечивает полёт ракеты по требуемой траектории, сохранение устойчивости движения и др. Основные силовые элементы конструкции ракеты выполняются в виде тонкостенных оболочек из высокопрочных сплавов и композиционных материалов [2] .
По числу ступеней ракеты делятся на одноступенчатые и составные (многоступенчатые). Одноступенчатая ракета практически не способна обеспечить скорость, необходимую для достижения межконтинентальной дальности и осуществления космического полёта. Для этой цели используется составная ракета, в которой первая ракетная ступень (отделяемая часть составной ракеты, обеспечивающая благодаря работе двигателей разгон ракеты на определённом участке траектории полёта) начинает работать с момента пуска. После исчерпания топлива первая ступень отделяется, разгон полезного груза продолжает вторая ступень и т. д. Одним из основных свойств составной ракеты является её способность существенно увеличить конечную скорость за счёт сброса в процессе полёта элементов конструкции, необходимость в которых к этому моменту полёта исчезла. Различают конструктивные схемы составных ракет с поперечным делением — так называемый тандем, когда ступени расположены последовательно по высоте ракет и их двигатели последовательно вступают в работу и с продольным делением — так называемая пакетная схема, допускающая одновременную работу двигателей различных ступеней и комбинированную.
Ракеты и Космонавтика
Ракеты — самый эффективный способ покинуть атмосферу Земли и достичь космоса. Хотя астрономы и учёные веками мечтали об исследовании Вселенной, технические вопросы, связанные с полётами в космос, были решены только в XIX веке. Газодинамическая лаборатория, советская научно-исследовательская лаборатория, сыграла решающую роль в начальном развитии ракетной техники. В 1921 году они сосредоточились на твердотопливных ракетах, что в конечном итоге привело к первому запуску в 1928 году. Хотя ракета пролетела всего 1300 метров, это была большая веха.
В 1926 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка соединил сверхзвуковое сопло с камерой сгорания высокого давления, удвоив тягу и увеличив КПД двигателя с 2 % до 64 %. Он использовал жидкое топливо вместо пороха, чтобы уменьшить вес и максимально повысить эффективность ракет. Его работа положила начало совершенно новой эре современных ракет [3] .
Конструкция ракеты для полётов в космос
Конструкция (или каркас) ракеты изготовлена из лёгких, но прочных материалов. Хотя ракеты космических челноков весят сотни тысяч килограммов, они спроектированы так, чтобы быть как можно легче, чтобы они могли доставлять грузы на орбиту Земли, используя минимум топлива. В то же время конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать экстремальные температуры верхних слоёв атмосферы. Конструкция состоит из различных компонентов.
Носовой конус
Верхняя часть ракеты имеет коническую форму для изменения поведения встречного воздушного потока и уменьшения аэродинамического сопротивления. Внутри этого конуса находится камера, в которой могут находиться спутники, вспомогательное оборудование, растения или животные. Внешняя поверхность конуса спроектирована таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры, возникающие при аэродинамическом нагреве [3] .
Корпус
В корпусе ракеты размещаются топливо, окислитель и двигатель. Топливо и окислитель вместе образуют ракетное топливо. Топливо — это химическое вещество; оно не может гореть или приводить в действие ракетный двигатель без окислителя (кислорода). Поскольку ракеты летят в космос (где нет воздуха), они должны нести с собой кислород.
Количество топлива и окислителя, которое необходимо перевозить, точно рассчитывается для каждой миссии. Ракета может оторваться от земли только в том случае, если она создаёт тягу, превышающую общую массу аппарата. Большая масса означает, что вам нужен более мощный двигатель, который, в свою очередь, потребует больше топлива. Вот почему значение имеет каждый грамм веса, и масса сокращается до самого необходимого.
В типичной ракете около 90 % общей массы составляет топливо, 6 % приходится на конструкцию (корпус, двигатель, крылья), а 4 % может составлять полезная нагрузка (космонавты, спутники, дополнительные приборы, продукты) [3] .
Крылья
Крылья прикреплены к нижней части корпуса ракеты. Они обеспечивают устойчивость во время полёта. Другими словами, они поддерживают ориентацию аппарата и намеченную траекторию полёта. Они работают так же, как оперение, расположенное в хвосте стрелы. Тяга на оперении удерживает хвост сзади, чтобы острие стрелы летело прямо по ветру.
Без крыльев ракета потеряла бы управление через несколько секунд после выхода из пусковой установки. Это происходит потому, что на аппарат одновременно действуют несколько сил (аэродинамика, гравитация, а также сила, создаваемая двигателем). Как только центр тяжести опускается ниже центра давления, ракета становится неустойчивой.
При создании ракеты конструкторы учитывают различные факторы, такие как форма, количество, размер и расположение плавников. Обычно они располагаются в задней части, если только ракета не оснащена бортовой автоматизированной системой наведения [3] .
Материалы
Корпус ракеты изготавливается из нескольких прочных, но лёгких материалов. Дюралюминий, например, является наиболее распространённым сплавом, используемым в корпусах ракет. Этот сплав состоит из алюминия, меди и небольшого количества марганца и магния, которые делают его более твёрдым и прочным. Поскольку он обладает низкой свариваемостью, дюралюминиевые детали обычно скрепляются болтами или заклёпками.
Космическая гонка между США и Советским Союзом привела к разработке многочисленных прочных алюминиевых сплавов, содержащих до 10 компонентов. Большинство из них, включая алюминиевые и литиевые сплавы, до сих пор используются для изготовления деталей многоступенчатых ракет. Другим распространённым сплавом является нержавеющая сталь. Она превосходит алюминиевые сплавы по многим параметрам. Она твёрдая и лёгкая, может выдерживать экстремальные нагрузки без деформации, и при этом она гораздо дешевле алюминиевых сплавов. В настоящее время она используется для изготовления топливных баков (с толщиной стенки около 0,5-1 мм).
Медные сплавы также используются в некоторых компонентах. Хромомедный сплав, например, используется для изготовления внутренней стенки ракетного двигателя. Он может выдерживать экстремальное тепло (3 500 Кельвинов), вырывающееся из сопел во время запуска. Кроме того, титан используется для изготовления импеллеров для ракетных двигателей. В отличие от других материалов, титан и его сплавы не подвергаются коррозии в аэрокосмической среде. Они обладают превосходной стойкостью в большинстве окислительных, нейтральных и ингибированных восстановительных условиях. Но поскольку они тяжелее и дороже алюминиевых и стальных сплавов, их используют в очень ограниченных количествах [3] .
Система полезной нагрузки
Полезная нагрузка зависит от космической миссии. Одна и та же ракета может быть модифицирована для запуска полезной нагрузки для различных целей, например, спутников для мониторинга погоды, связи, шпионажа или исследования космического пространства.
Однако самая ценная полезная нагрузка, которую несёт любая ракета, — это люди.
Вывести в космос спутники и сложные приборы требуют серьёзной подготовки. Полезную нагрузку нужно не только поднять в космос, но и благополучно доставить на нужную орбиту. Не должно быть никаких физических повреждений из-за экстремального ускорения, вызванного тягой ракеты, или быстрых изменений величины или направления ускорения, вызванных дросселированием двигателя. Кроме того, биологические, химические или электротехнические полезные нагрузки могут быть повреждены резкими изменениями температуры или давления, а также радиационным облучением космическими лучами.
Чтобы этого не произошло, большинство полезных нагрузок создаются таким образом, чтобы выдерживать определённые жёсткие условия на пути к месту назначения. Кроме того, они заключены в носовой конус (также называемый обтекателем полезной нагрузки), который защищает их от экстремальных температур и давления [3] .
Система наведения
Система наведения ракеты состоит из сложных радаров, датчиков, коммуникационного оборудования и бортовых вычислительных блоков.
Она выполняет две основные функции:
- обеспечение стабильности во время запуска;
- управление аппаратом во время манёвров.
Учёные разработали множество методов управления ракетами во время полёта. Большинство из этих методов предполагает анализ всех сил, действующих на транспортное средство, которые вносят свой вклад в конечное движение. Как только система получает все данные, она может точно рассчитать траекторию полёта для выхода на целевую орбиту.
Ранние ракеты (а также некоторые современные) обычно используют подвижные хвостовые крылья. Эти крылья обеспечивают нужное количество аэродинамической силы, делая аппарат устойчивым во время полёта.
В более новых ракетах (разработанных в конце 1970-х годов и позднее) используется система векторизации тяги, называемая карданной тягой. В этой системе выхлопное сопло перемещается из стороны в сторону для создания управляющего момента. При перемещении сопла направление тяги изменяется относительно центра тяжести ракеты.
В целом, система наведения состоит из трёх компонентов:
- Вход: включает датчики, радио- и спутниковые каналы связи и другие источники данных.
- Обработка: содержит несколько центральных процессоров, которые обрабатывают данные и рассчитывают «следующий шаг» для достижения правильного курса.
- Выход: данные передаются непосредственно на цифровой автопилот для принятия необходимых мер.
Автопилот постоянно обеспечивает обратную связь с системой наведения о состоянии органов управления полётом [3] .
Двигатель
Цель ракетного двигателя — создание тяги. Хотя разные типы двигателей работают по-разному, все они основаны на третьем законе движения Ньютона: каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Двигатель выбрасывает массу (в виде газа под высоким давлением) в одном направлении, чтобы вызвать реакцию в противоположном направлении. Масса поступает из топлива.
В отличие от самолетного двигателя, ракетному двигателю требуется топливо плюс окислитель (источник кислорода). Это связано с тем, что в космосе нет кислорода, поэтому ракета должна иметь свой собственный. Топливо и кислород смешиваются и воспламеняются в камере сгорания. В результате реакции образуется выхлоп, который проходит через сопло для создания тяги. Величина создаваемой тяги зависит от того, какая масса проходит через двигатель и какова скорость истечения газа. (Когда топливо сгорает, оно превращается из твёрдого тела в газ или из жидкости в газ).
Существует два основных типа ракетных двигателей:
- ракеты на твёрдом топливе — они могут храниться годами без значительной деградации топлива, и их можно надёжно запускать. Однако из-за их низкой производительности (по сравнению с жидкотопливными ракетами) в настоящее время они не используются для крупных миссий. Они используются для вывода лёгких полезных грузов (менее 2 тонн) на низкую околоземную орбиту..
- ракеты на жидком топливе — они тяжелее и сложнее в хранении и обращении, однако они обеспечивают большую тягу на единицу веса сжигаемого топлива. Их можно легко остановить после запуска, что обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Эти двигатели могут быть спроектированы таким образом, чтобы запускаться и выключаться несколько раз во время полёта для орбитального маневрирования..
Некоторые ракетные двигатели работают на электричестве (дуговая реактивная ракета и резистивная реактивная ракета) или на ядерной энергии (ракета с газовым реактором и ракета с фрагментами деления). Однако в настоящее время они очень неэффективны и требуют большого количества исследований и испытаний [3] .
Топливо
Топливо — это масса, хранящаяся в баке перед использованием в качестве высокоскоростной массы, которая выбрасывается (в виде газа) из сопла ракеты для создания тяги.
Наиболее распространёнными топливами являются топливо, такое как керосин или жидкий водород, и окислители, такие как азотная кислота или жидкий кислород. Топливо сжигается вместе с окислителем в камере сгорания, в результате чего образуется огромное количество горячего газа.
Современные ракеты, такие как Falcon Heavy, Falcon 9, Atlas V, Long March 6, «Ангара» и «Зенит», используют жидкий кислород с высокоочищенным керосином. Эта смесь используется для ускорителей первой ступени, которые взлетают с уровня земли. Некоторые ракетные топлива (называемые монопропеллентами) не нужно сжигать, чтобы произошла химическая реакция. Они могут быть разложены с помощью катализатора с получением горячего газа. Перекись водорода, закись азота и гидразин — прекрасные примеры таких монотоплив.
Ранние ракеты использовали твёрдое топливо, которое содержало смесь гранул твёрдых окислителей, таких как перхлорат аммония, динитрамид аммония и нитрат аммония, в полимерном связующем веществе, с порошками взрывчатых соединений, таких как HMX или RDX. В состав твёрдых ракетных топлив также добавляют стабилизаторы, модификаторы скорости горения и пластификаторы [3] .
Примечания
- ↑ 1,01,1Значение слова «ракета»(неопр.) . Картаслов.ру. Дата обращения: 21 мая 2023.
- ↑ 2,02,12,2В. П. Легостаев.Ракета(неопр.) . Большая Российская Энциклопедия 2004-2017. Дата обращения: 21 мая 2023.
- ↑ 3,03,13,23,33,43,53,63,73,85 самых важных частей ракеты(неопр.) . Новая наука (20 июля 2022). Дата обращения: 21 мая 2023.
Ссылки
- Космическая энциклопедия
- Большая Российская Энциклопедия
- Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
- Знание.Вики:Cite web (не указан язык)
- Технологии
- Все статьи
- Ракеты
- Космонавтика
- Оружие
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!
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.
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.
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!
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Алюминий
«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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).
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕВ 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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Титан и титановые сплавыЖелезо
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕНо 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!
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕМедь
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕВ 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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕСеребро
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕСегодня, 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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕДрагоценным 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.
Космос как задача
Выводить груз и людей в космос — до сих пор чрезвычайно дорогое удовольствие. Ученые и инженеры не один десяток лет бьются за каждый килограмм полезной нагрузки, работая над созданием деталей из легких и прочных материалов. Совместно с ОНПП «Технология», которое входит в Госкорпорацию «Ростех», рассказываем, как собираются головные композитные обтекатели современных российских ракет-носителей, до скольки сотен градусов Цельсия они разогреваются в полете и почему срок службы космических аппаратов раньше не превышал пяти лет.
Программа «Энергия — Буран», запущенная в 1974 году, предполагала создание многоразовых космических кораблей и должна была стать ответом на американскую гражданско-военную программу «Space Shuttle». Уже в ноябре 1988 года советский орбитальный космоплан «Буран» успешно совершил первый полет вокруг Земли. Разработкой остекления, композитных конструкций и теплозащиты для корабля занималось экспериментальное предприятие, сегодня известное как ОНПП «Технология».
К тому моменту научный центр, располагающийся в Обнинске, работал над созданием новых материалов, предназначенных для авиации и космоса, меньше десяти лет. Первые детали из созданных там композитов получили истребитель МиГ-29, первый советский широкофюзеляжный самолет Ил-36 и межпланетные станции «Венера-15» и «Венера-16». Тем не менее, знаковой работой сразу по нескольким направлениям (композиты, стекло и керамика) сотрудники «Технологии» до сих пор считают именно «Буран». В Обнинске собирали трехслойные композитные створки отсека полезного груза для кораблей, каждый из которых был рассчитан на сто полетов.
Судьба распорядилась иначе: первый полет «Бурана» стал последним. Программа была закрыта в 1993 году, а корабли в разной степени готовности — уничтожены, разобраны или превращены в музейные экспонаты. Советские космопланы больше ни разу не летали в космос. Тем не менее, реализованные в «Буране» технологии и новые материалы, подготовили почву для инноваций в будущих проектах отрасли.
Когда в конце 1990-х «Технология» занялась модернизацией ракеты-носителя «Протон», специалисты решили отказаться от стеклопластика в пользу углепластика. Масса конструкции тут же сократилась на полторы тонны. На сегодняшний день головные обтекатели отечественных ракет-носителей прошли четыре этапа модернизации: металлические детали постепенно заменяются композитными, и на орбиту можно выводить все больше полезной нагрузки.
Корреспонденты N + 1 отправились в Обнинск, чтобы посмотреть, как устроена композитная обшивка, и своими глазами увидеть производство обечаек ракет-носителей «Протон-М», «Ангара-А5» и «Орёл». В частности, огромную печь, где детали «запекаются» до готовности.
Выгнать воздух
К масштабам объектов ОНПП «Технология» приходится привыкать. Учитывая габариты изделий, буквально все, от цехов до коридоров, сделано очень просторным. У заготовок и деталей самолетов и ракет кропотливо трудятся люди в масках и перчатках. На время режима самоизоляции работа здесь не прекращалась. Всего на предприятии, по словам представителя «Ростеха», занято 2756 человек, из которых 830 — ученые.
Изготовление одного комплекта композитных деталей занимает не менее полутора месяцев. И начинается — не важно, будет это крыло самолета или часть ракеты — всегда одинаково: с подготовки мастер-модели, необходимой чтобы изготовить оснастку на которой будет выкладываться деталь. Мастер-модель – зеркальная копия этой детали. Из пластика, который не впитывает влагу, формируется примерный контур будущего изделия.
Заготовка проходит несколько этапов обработки на пятикоординатном фрезерном станке: черновую, получерновую, получистовую и чистовую. Так вероятность оставить на пластике сколы и трещины сводится к минимуму. «На этапе черновой обработки фрезеровка до пяти миллиметров может доходить, тогда как на финальных этапах снимается толщина от одного до пяти сотых миллиметра», — рассказывает заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» по производству Вадим Шогенов, пока станок методично гуляет вдоль мастер-модели.
На первом этапе на обработанную мастер-модель с нанесенными рисками (линиями, определяющими габаритные размеры детали) выкладываются слои углеродной ткани и пропитываются специальным связующим методом инфузии. Так изготавливается формообразующая оболочка оснастки, которая соединяется с каркасом и проверяется на соответствие мастер-модели. Только после этого будущая деталь отправляется на выкладку обшивки.
Конструкция выкладывается слоями, которые скрепляются между собой связующим полимерным веществом. С помощью вакуумных шлангов из конструкции устраняют лишний воздух. Оставшиеся внутри пузырьки могут привести к появлению дефектов, расслоению и уменьшению прочности детали. Завершающий этап производства — «формование» в гигантском автоклаве. Давление внутри установки составляет 6 атмосфер (6 килограмм на квадратный сантиметр), а температура — 165-175 градусов.
Существует альтернативный способ изготовления деталей из углепластика, который не предполагает использования автоклава — метод вакуумной диффузии. О нем мы рассказывали в тексте, посвященном изготовлению композитного крыла пассажирского самолета МС-21.
Почему автоклав, а не вакуумная инфузия?
Слой обшивки состоит из множества углеродных жгутов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из 12000 моноволокон, раскатанных на определенную ширину и толщину. Наша задача – 12 тысяч моноволокон уместить в определенный объем. Да так, чтобы не было ни одного пузырька воздуха. Каждому типу углепластика, каждому типу волокна и связующего вещества соответствуют жесткие требования. Например, 60 процентов объема должно занимать углеродное волокно, а оставшиеся 40 процентов – связующее вещество. Если выполнить это условие и не допустить пустот, можно добиться максимальных характеристик.
Метод вакуумной инфузии предполагает следующее: волокна упаковываются в пакеты, откуда откачивается воздух и следом заливается связующее. Когда деталь маленькая, плоская – все хорошо. Но постулат 60/40 инфузией очень сложно обеспечить. Потому что воздух, зашедший вместе с жидкостью, трудноудалим особенно в сложных конструкциях. Как показывает мировая практика, при использовании метода вакуумной инфузии теряется процентов 10-15 прочности по отношения к автоклавному формованию.
А что такое автоклавный метод? К препрегам, пропитанным связующим, прикладывается температура. Инфузия тоже позволяет так сделать, но при использовании автоклава дополнительно подается давление – и конструкция уплотняется. Тем самым автоматически выполняются два условия: конструктив получается абсолютно без воздуха, пустоты исключены. Плюс, при помощи давления и всех технологических параметров можно управлять процентным содержанием волокна и связующего.
Заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» Николай Выморков
Изготовление одного комплекта деталей головного обтекателя ракеты обходится в десятки миллионов рублей. В стоимость, помимо дорогих компонентов, входит необходимость разрабатывать новые материалы и связующие вещества, поясняет Вадим Шогенов. В среднем за год ОНПП «Технология» получает порядка 30 патентов.
Слой на слой
По коридору с высокими потолками, который будто насквозь проходит через все здание, мы перемещаемся в другой цех. Внутри стоит резкий химический запах. Перед нами раскинулось нечто напоминающее гигантский ткацкий станок. Здесь создается ключевой материал для изготовления обшивки. Углеродные волокна формируют в однонаправленные ленты и пропитывают специальным связующим – изготавливают препреги.
С начала 2000-х для производства препрегов научно-производственный комплекс ОНПП «Технологии» использовал импортные углеродные волокна, с которыми не могли на равных тягаться советские разработки 1970-1980-х годов. Зарубежное волокно не только обходилось дешевле, но и обладало большей прочностью. Однако в 2017 году Росатом запустил завод по производству углеродных волокон. В «Ростехе» говорят, что они практически не уступают американским и японским аналогам. Уже некоторое время конструкции для космоса производятся с применением российских волокон — из них выполнены головные обтекатели «Ангары» и «Протон-М».
Тысячи нитей волокна, намотанные на катушки, заводятся в шпулярник, проходят через «гребенку» и распрямляются. Каждая из них проводится через ванну со связующим веществом и пропитывается. Процесс повторяется еще раз — но зазоры в «гребенке» становятся меньше. Углеродные нити плотнее водятся друг с другом. В очередной раз пропитавшись связующим веществом, они отправляются под каландр и окончательно соединяются друг с другом. Получившаяся ткань отправляется в термошахту, где при температуре 100-120 градусов происходит просушка препрега до определенной липкости.
Готовый препрег оберегают с обеих сторон защитными слоями: с одной стороны ткани находится специализированная пленка, с другой — силиконизированная бумага. Перед нанесением на оснастку сотрудник удаляет бумагу и укладывает препрег на оснастку. Затем, расположив его необходимым образом, он удаляет пленку.
Препреги изготавливаются из однонаправленных углеродных волокон или на основе ткани – это зависит от предполагаемой нагрузки. На растяжение и сжатие работают однонаправленные волокна, тогда как на сдвиг – перекрестная структура. Во время полета ракета испытывает скручивающие, сжимающие и изгибающие нагрузки по длине головного обтекателя. Поэтому конструкция головного обтекателя обладает высокой жесткостью в осевом направлении и чуть меньше – в поперечном.
Какие связующие вещества подходят для космоса?
Связующих для изготовления композиционных материалов много: полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные, бисмалеимидные и полиимидные. Это разные классы связующих с отличными друг от друга свойствами и характеристиками по прочности и температуре эксплуатации.
Космос — это температура от минус 100 градусов. Если полный вакуум, то минус 150-160 градусов. Если на орбите взошло Солнце, температура достигает 150-200 градусов. Соответственно, материал должен выдерживать эти температуры и работать в диапазоне от минус 100 до плюс 150 градусов. Самый оптимальный вариант для данных перепадов температур – это эпоксидные связующие. Они свободно работают в диапазоне до 200 градусов, хорошо сохраняя свои свойства даже в космическом пространстве. И поэтому основными связующими для изготовления углепластика, который используется и в космосе, и в авиации, главным образом являются эпоксидные.
Однако аппарат еще нужно доставить с Земли в космос и для этого сильно разогнаться. Если взять просто истребитель сверхзвуковой, то рабочая температура для, например, Су-57 или F-15, когда самолет выходит на сверхзвук, на острых кромках устанавливается температура 175-200 градусов. При спуске космического аппарата температура еще больше – это следующий рубеж по градации материалов: бисмалеимидные связующие, температура 200-250 градусов. Температура 250 градусов и немножко выше – это полиимидные связующие.
В зависимости от того, для чего предназначен ваш космический аппарат, условия меняются. Для части ракеты, которая взлетает, будут одни условия. Для той, что садится, – другие.
Заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» Николай Выморков
Задача головных обтекателей ракет-носителей – на момент старта и до вывода в космическое пространство – это защита космического аппарата от всех внешних факторов. Максимальной температурой головного обтекателя считается 175 градусов Цельсия по поверхности. На самом кончике показатели другие. «Буквально через две-три минуты скорость полета увеличивается, – говорит Выморков. – Соответственно, температура в конусной части может вырастать и до 500, и до 600 градусов Цельсия». На самые «горячие» участки головного обтекателя наносят дополнительную теплозащиту, обеспечивающую сохранение свойств материала.
Однако обшивка головной части состоит не только из десятков слоев углеволокна. Аккурат между углепластиковыми обшивками располагается еще один компонент – алюминиевый сотовый заполнитель. Взяв в руки фрагмент заполнителя, Вадим Шогенов сперва легко растягивает его, превращая металлический брусок в «пчелиные соты», а затем безуспешно пытается эти соты сплющить. «Нагрузка именно на сжатие идет. Он прочный, как будто целиком металлический, но здесь-то у нас воздух и пустота. — Шогенов указывает на шестиугольные отверстия по всей площади материала — Это облегчает конструкцию, и намного — когда предприятие сделало первый обтекатель для “Протона-М”, выигрыш в весе составил порядка полутора тонн». Сотовые заполнители бывают самых разных форм и размеров. Каждый подгоняется под конкретную часть обшивки.
Раньше срок службы космических аппаратов не превышал пяти лет. Как только система охлаждения, убранная в герметичный корпус, выходила из строя (например, из-за столкновения с маленьким астероидом), неизбежно переставала функционировать вся система. В конце 1990-х в обиход вошла новая система охлаждения: корпуса начали изготавливать с использованием тепловых панелей, представляющих собой трехслойные сотовые панели с размещенными внутри тепловыми трубами. Наполненные аммиаком тепловые трубки, пропущенные сквозь алюминиевый сотовый заполнитель, отдавали тепло от работающих приборов в космос. Благодаря тому, что система перестала быть герметичной, вывести аппарат из строя уже не так просто.
Усиление и никакого брака
На определенных участках головного обтекателя необходимо обеспечить повышенную прочность и жёсткость конструкции. Если в среднем обшивка состоит из 30-40 слоев углепластика, то на местах дополнительного усиления — крепления и технических отверстий — выкладывается 15-20 дополнительных слоев.
Распределение слоев Шогенов демонстрирует на корпусе двигательного отсека многоразового пилотируемого корабля «Орёл» (бывшая «Федерация»). Тут все так же, как у «Протона-М» или «Ангары»: угольные обшивки и алюминиевый сотовый заполнитель внутри. Однако у отсека «Орла» конусная часть соединяется с цилиндрической, а вокруг отверстий соты по периметру забиты пастой. Она позволяет надежно зафиксировать необходимые конструкции и элементы. Повредить корпус в этих местах значительно сложнее.
Почему углепластик?
У алюминия КЛТР (коэффициент линейного теплового расширения – прим. N + 1) 22 на 10 -6 . У стали – порядка 7-8×10 -6 . Титан – четверка. Уголь – в диапазоне от 0 до 2×10 -6 . Углепластик применяется, чтобы обеспечить минимальный КЛТР во всех направлениях – не только в обшивке, но и в размеростабильных конструкциях.
Применение композитов позволяет сделать конструкцию как минимум на 30 процентов легче по отношению к металлической. Но прочностные характеристики и надежность должны подтвердить испытания. И только после подтверждения всех параметров будет запущена серия.
Заместитель директора НПК «Композит» ОНПП «Технология» Николай Выморков
Невооруженным взглядом заметно, что в местах усиления корпус немного выступает наружу. По словам Шогенова, здесь количество слоев углепластика доходит до 80. В результате элемент, который будет закреплен в этом месте, не сместится под воздействием нагрузок и не повлияет на ход полета.
Когда речь заходит о дефектах, в «Ростехе» утверждают, что их нет. «Брак не допускается ввиду того, что у нас каждая операция и каждый переход контролируется ОТК (отделом технического контроля — прим. N + 1), и любое несоответствие выявляется сразу же», — объясняет Вадим Шогенов. После выкладки заготовка проходит неразрушающий контроль и при обнаружении дефектов дальше уже не проходит.
На финальном этапе контроля готовые детали прозванивают ультразвуком. Мы решили самостоятельно попытаться обнаружить в обечайках дефекты. Оказалось, что это не так просто: размеры изделий не позволяют справиться с этим за один рабочий день. Как правило, сотрудники в течение нескольких дней кропотливо проверяют каждый миллиметр детали.
Настроив прибор по контрольному образцу, необходимо медленно проводить им вдоль поверхности. Обнаружив дефект, прибор начинает визжать. На контрольных образцах с дефектами машинка исправно подавала сигнал, однако на готовых обечайках, которые я прозванивал около 10 минут, обнаружить брак не удалось. После тот же участок детали на всякий случай прозвонила сотрудница одного из научно-производственных комплексов ОНПП «Технология» и отчиталась о ее качестве по форме.
- 2.1 Конструкция ракеты для полётов в космос