Металлы в космосе. Перспективные космические материалы

Сидоркина Ксения

В данной работе раскрыта роль химии в освоении космоса.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Введение

1. Перспективы использования алюминия в космической отрасли.
2. Титан и его сплавы в ракетостроении.
3. Полимерные композиционные материалы в ракетостроении.
4. Горючие металлы.
5. Космический цех полупроводников.

Заключение

Введение

Пятьдесят лет назад, 12 апреля 1961 года, космонавт Юрий Гагарин вознёсся в небеса с бодрым криком "Поехали!", став первым человеком в Космосе. Стартовав тем солнечным утром на корабле "Восток 1" в 9 часов 6 минут из Казахстана, двадцатисемилетний сын плотника за 108 минут облетел вокруг Земли, катапультировался и удачно приземлился на парашюте в Саратовской области.

Полёт Гагарина, импульсом к которому было намерение утвердить технологическое превосходство над Соединёнными Штатами, стал одним из самых значительных достижений XX века. Это короткое по времени, но эпохальное по масштабам посягательство на небеса вдохновило миллионы людей Земли, а разгоревшаяся космическая гонка между мощнейшими державами подспудно вела к взаимному уничтожению.

Алексей Леонов, ещё один из двадцатки первого отряда советских космонавтов, считает: "Это самое лучшее соревнование в Космосе, которое когда-либо осуществляло человечество. "Лунная гонка" между СССР и США - достижение высочайших вершин науки и техники". И в этой космической гонке не последнюю роль сыграла наука химия. Созданные учеными-химиками конструкционные материалы, сверхмощное горючее, точнейшие приборы, инструменты и устройства обеспечивают работу космических кораблей и орбитальных станций. Поэтому цель данной работы: Раскрыть роль химии в освоении космоса.

1. Перспективы использования алюминия в космической отрасли

Алюминий - один из космических «первопроходцев»: конструкторы первых спутников даже не задавались вопросом, какой именно металл использовать в конструкции своих аппаратов. Легкий и прочный алюминий - точнее, «самолетные сплавы», стали постоянными «участниками» космических проектов. Около половины веса современной ракеты приходится на алюминиевые конструкции, а шаттлы почти на 90% состоят из алюминиевых сплавов.

Неудивительно, что разработка новых технологий в обработке алюминия, усиление его показателей стойкости к высоким и низким температурам, вибрационным нагрузкам и воздействию радиации сегодня представляет собой не просто приоритетное, а стратегическое направление в металлургии. На сегодняшний день перспективы применения алюминия в космической отрасли связывают, прежде всего, с появлением новых сплавов, позволяющих снизить вес ракет, кораблей и станций, что, в свою очередь, обеспечит значительное сокращение топливных расходов при выводе агрегатов на орбиту и значительно расширит функциональность космических объектов.

Основная тенденция в области разработок космических материалов - создание гранулированных алюминиевых сплавов, которые обеспечивают практически тридцатипроцентное снижение веса узловых конструкций. Расширяется и диапазон рабочих температур - до 850 °С. За последние несколько лет было разработано несколько таких сплавов: специалисты объединяют их в класс интерметаллидов - это, как правило, сплавы титана, причем наиболее перспективными считаются варианты «титан-алюминий». Кроме титановых сплавов в ракетостроении применяются варианты «никель-алюминий» и «железо-хром-алюминий».

Однако есть и более интересные идеи по усилению свойств «ракетного» алюминия. Например, корейские исследователи, применив нанотехнологии, разработали так называемый «умный» алюминий - Smart Aluminum. Название, безусловно, спорно, однако все остальные характеристики нового материала сомнений не вызывают: пословам разработчиков, новый сплав в три раза прочнее обычных «космических» вариантов и примерно в сто раз прочнее стали. Ноу-хау корейцев - использование в алюминиевом сплаве углеродных нанотрубок. Выход первых изделий из нано-алюминия планируется к концу 2008 года, но уже сейчас ведущие мировые космические организации проявляют интерес к новому материалу, предрекая ему большое будущее.

1. Титан и его сплавы в ракетостроении

Титановые сплавы являются одним из наиболее прочных конструкционных материалов, уступая по этому показателю только сплавам на основе бериллия. При этом они отличаются пластичностью, стойкостью к износу и истиранию. Они способны выдерживать воздействие некоторых активных кислот, а также солей и гидроксидов. Кроме того, титановые сплавы обладают стойкостью к воздействию высоких температур, что способствует их использованию в качестве сырья для изготовления деталей реактивных двигателей в авиа- и ракетостроении.

Титановые сплавы широко использовались в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также в более поздних космических системах - «Энергия» и орбитальном корабле «Буран».

Основными объектами применения титана являются твердотопливные и жидкостные ракетные двигатели, обшивки, корпуса пороховых двигателей, трубчатые конструкции стыковых отсеков, агрегаты различного назначения, в частности газовые баллоны высокого давления, детали крепления и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к титановым сплавам в этих конструкциях, являются высокая удельная прочность, а в некоторых случаях - низкая хладноломкость, высокая упругость паров в глубоком вакууме и др. В ракетостроении используется практически вся номенклатура конструкционных титановых сплавов.

Титан используют для изготовления баллонов, в которых длительное время под давлением могут находиться различные газы. Например, в американских ракетах типа "Атлас" сферические резервуары для хранения сжатых газов сделаны из титана. Из титановых сплавов изготавливают и баки для окислителя ракетного топлива - жидкого кислорода.
Удивительное свойство титановых сплавов с никелем - способность "запоминать" свою форму. Проволока из такого материала может быть использована для изготовления радиоантенны или каркаса солнечной батареи космического корабля. На холоду это изделие можно сжать в небольшой шар. А при нагревании материал "вспоминает" свою первоначальную форму и разворачивается в то изделие, которое было изготовленно вначале.

1. Полимерные композиционные материалы в ракетостроении

Современная ракетно-космическая техника немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность.

Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостнаяракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации.

При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом.

При использовании современных композитных материалов были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, покрываемой слоем теплозащитного материала, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает конструкцию.

Еще один яркий пример использования композитных материалов - орбитальный космический корабль «Шаттл», способный летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями (более 5 Мах или 6000 км/ч). Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков.

Для космической станции «Альфа», созданной в соответствии с российско-американскойпрограммой, многие элементы конструкции изготавливались из композиционных материалов: высокопрочные штанги ферм, панели солнечных батарей, сосуды давления, «сухие» отсеки, рефлекторы и т. п.

В ракетно-космической технике успешно применяются легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов.

В настоящее время широко используются в авиации и ракетостроении углепластики. Углеродные волокна и композиционные материалы из них имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные свойства. Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, так как графит - это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самолетов, космических кораблей многоразового действия «Шаттл». Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет.

1. Горючие металлы

Чтобы преодолеть силы земного тяготения и вырваться в космические просторы, необходимо затратить много энергии. Ракета, которая вывела на орбиту корабль-спутник с первым в мире космонавтом Юрием Гагариным, имела шесть двигателей общей мощностью 20 миллионов лошадиных сил!
Естественно, что выбор ракетного топлива представляет собой проблему исключительной важности. Пока наиболее эффективным горючим считается керосин , окисляемый жидким кислородом. Теплотворность этого топлива составляет 9600 кДж/кг.

Хорошие перспективы может иметь применение металлического горючего. Теорию и методику использования металлов в качестве топлива для ракетных двигателей разработали советские ученые Юрий Васильевич Кондратюк (настоящие имя и фамилия - Александр Игнатьевич Шаргей) (1897-1942) и Фридрих Артурович Цандер (1887-1933) - ученые-изобретатели, пионеры отечественной ракетной техники.
Одним из наиболее подходящих для этой цели металлов является литий . При сгорании 1 килограмма этого металла выделяется почти 43000 кДж! Большей теплотворностью может похвастать лишь бериллий. В США опубликованы патенты на твердое ракетное топливо, содержащее 51- 68% металлического лития.

Любопытно, что в процессе работы ракетных двигателей литий выступает против... лития. Являясь компонентом горючего, он позволяет развивать колоссальные температуры, а обладающие высокой термостойкостью и жароупорностью литиевые керамические материалы, используемые как покрытия сопел и камер сгорания, предохраняют их от разрушительного действия горючего.

При сгорании алюминия в кислороде или фторе тоже отмечается высокое тепловыделение. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка!

1. Космический цех полупроводников

Важнейшая область применения редкого металла индия - производство полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и усилителей: он выступает при этом в роли примеси, обеспечивающей дырочную проводимость в германии. Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота - "шесть девяток", т. е. 99,9999%!
Соединения индия с серой, селеном, сурьмой, фосфором и сами являются полупроводниками. Их применяют для изготовления термоэлементов и других приборов. Соединение индия с сурьмой, которое технологи называют "антимонид индия", служит основой инфракрасных детекторов , способных "видеть" в темноте нагретые предметы. Индий оказался одним из немногих химических элементов, "командированных" в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов.

В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе "Союз"- "Аполлон", командиры экипажей Алексей Архипович Леонов и Томас Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите.

В частности, они затронули вопрос о технологических опытах по плавке металлов и выращиванию кристаллов различных веществ. " Предстоит выяснить возможность использования невесомости и вакуума для получения новых материалов - металлических и полупроводниковых , - сказал А. Леонов. По мнению советских и американских ученых, в космосе можно сплавлять компоненты, не смешиваемые на Земле, создавать жаропрочные материалы..."

" Наши астронавты , - добавил Т. Стаффорд, - на борту орбитальной станции "Скайлэб" проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле ".

А в 1978-1980 годах на борту советской орбитальной научной станции "Салют-6" были проведены новые технологические эксперименты, в которых "участвовали" индий и его соединения.

Заключение

Таким образом, без усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космическим кораблям преодолеть земное притяжение, сверхмощное горючее, помогающее двигателям развить необходимую мощность, точнейшие приборы, инструменты и устройства, которые обеспечивают работу космических орбитальных станций.

Можно привести еще множество других примеров того, как используются в космической отрасли достижения науки химии, что является бесспорным подтверждением важнейшего значения этой науки в освоении космоса.

Палладий считается самым перспективным металлов из платиновой группы - он легче всего добывается и относительно дешево стоит, а из-за сходства характеристик им легко заменить саму платину. Большая часть добываемого палладия идет в электротехнику, химическую отрасль и ювелирное дело. В последнее время эксперты замечают дефицит палладия на рынке и сокращение запасов этого металла, он приобретает инвестиционную ценность, несмотря на то, что резкого взлета цен на палладий пока не прогнозируют.

Палладий был открыт английским химиком и аффинером Вильямом Волластоном, который растворил руду в «царской водке», а затем осадил выделившуюся платину хлоридом аммония. Путем экспериментов он пришел к тому, что в раствор добавил цианид ртути и получил цианид палладия, из которого при нагревании получился уже чистый палладий. Волластон обставил свое открытие с выдумкой - он анонимно отправил слиток палладия одному из лондонских торговцев, расписав его сходство с платиной. Торговец выставил слиток на продажу, чем привлек массу внимания дельцов и ученых. Вокруг нового металла было много споров - его рассматривали и анализировали, о нем спорили и обвиняли в подделке. Через какое-то время в крупнейшем научном журнале появилось объявление, что податель сего заплатит 20 фунтов стерлингов тому, кто создаст за год такой же металл. Ни одна попытка не увенчалась успехом, и в 1804 году Волластон доложил Королевскому обществу, что все это его рук дело. Помимо палладия он открыл еще и родий, но тот не был столь эффектен. Свое название новый металл получил в честь астероида Паллада, открытого за год до изобретения металла. В истории же палладием или палладиумом называли священную статую древнегреческой богини Афины Паллады. Теперь в научном мире есть знак отличия - «медаль Волластона», которая чеканится из чистого палладия.

В те времена платина была единственным известным минералом, содержащим палладий, сейчас же их открыто около 30. Очень редко он встречается в виде самородков, чаще в составе минералов вместе с платиной, свинцом, оловом, серой, теллуром и другими. Существуют также редкие соединения - палладистая платина (40%) и палладистое золото (примерно 10%). Палладий содержится не только в земных недрах, неспроста его называют космическим металлом - его находят в составе железных и каменных метеоритов.

Главные поставщики палладия на мировой рынок - Россия, ЮАР и Канада, а главные потребители - европейские страны, Япония и США. Самые богатые отечественные месторождения находятся на Урале и в Заполярье. Промышленным способом палладий у нас начали получать только в 1922 году, занимался этим Государственный аффинажный завод.

Палладий - самый легкий и легкоплавкий из всех платиноидов. Он хорошо поддается любым видам обработки - ковке, вытягиванию, свариванию, прокатке. Он инертен, стоек к агрессивным средам и при этом обладает отличными катализирующими свойствами и способен поглощать водород в огромных количествах (до 950 объемов). Благодаря этому качеству он незаменим в производстве каталитических конвертеров для автомобилей. Палладиевые катализаторы применяются так же при переработке нефти и для производства ракетного топлива, а палладиевые контакты не допускают искрения, поэтому активно используются в электротехнике, даже такой сложной как военная или аэрокосмическая. Устойчивость к химическому воздействию делает палладий незаменимым для производства химической и медицинской техники.

В ювелирной отрасли палладий используется для производства белого золота - он хорошо держит полировку и долго не тускнеет. Из него делают украшения и корпуса для дорогих часов. Для этой области применения используется как чистый палладий, так и сплавы, например, с серебром, медью и никелем. Самая высокая ювелирная проба палладия - 950-я.

Автомобилестроение забирает основную часть всего добываемого палладия, на электронную промышленность уходит примерно 15%, к ювелирам - 10%, остальное идет в химическую отрасль и медицину. Из автопрома возвращается и большая часть вторичного палладия - за счет сдачи и переработки автомобильных конвертеров. Вы можете продать автомобильный катализатор нашей компании, а мы отправим его в переработку, чтобы содержащийся в нем палладий снова вернулся на рынок драгметаллов.

Металлургия имеет дело с получением металлов и с процессами, сообщающими металлическим сплавам необходимые свойства путем изменения их состава и структуры. К металлургии относятся процессы очистки металлов от нежелательных примесей, производство металлов и сплавов, термическая обработка металлов, литье, нанесение покрытий на поверхность изделий и т. д. Большинство этих процессов включает с себя фазовые переходы к жидкому или газообразному состояниям, для которых влияние величины массовых сил на состав и структуру конечного материала может быть значительным. Поэтому перенос металлургических процессов в космос открывает принципиальные возможности производства материалов с улучшенными характеристиками, а также материалов, которые на Земле получить нельзя.

Металлургические процессы в космических условиях могут быть использованы для решения следующих задач.

1. Приготовление сплавов, в которых нет сегрегации , обусловленной силой Архимеда (получение композиционных материалов, сплавов высокой однородности и чистоты, пенометаллов).

2. Приготовление сплавов в отсутствие конвекционных токов (бездефектные монокристаллы, улучшенные эвтектики и магнитные материалы).

3. Безгравитационное литье (приготовление пленок, проволоки, литых изделий сложной формы).

4. Бестигельная плавка металлов и сплавов (очистка металлов и сплавов, их однородное затвердевание).

5. Разработка методов получения неразъемных соединений на космических аппаратах (сварка, пайка и т. д.).

Рассмотрим коротко состояние исследований, направленных на получение в космосе материалов металлургическими методами.

Бездефектные кристаллы и сплавы. Для производства сплавов исходные компоненты могут быть приготовлены как в жидкой, так и в газообразной (паровой) фазе с последующей кристаллизацией. В невесомости из-за отсутствия разделения фаз можно задавать произвольные комбинации компонентов в любых состояниях. Можно, в частности, получить прямой переход из паровой фазы к твердому телу, минуя расплав. Материалы, полученные при испарении и конденсации, обладают более тонкой структурой, которую обычно трудно получить при процессах плавления и затвердевания (плавку в космических условиях можно рассматривать как способ очистки). При этом в расплаве возможны следующие эффекты: испарение более летучего компонента, разрушение химических соединений (окислы, нитриды и т. п.).

Важнейший процесс получения сплавов - затвердевание. Этот процесс существенно влияет на структуру металла. При затвердевании могут возникать различные дефекты в структуре металла: неоднородность сплава по химическому составу, пористость и т. д. Присутствие в расплаве перепадов температуры и концентрации может приводить к возникновению конвекции. Если расплав затвердевает в условиях колебаний температуры, то возникают локальные колебания скорости роста кристалла, что может привести к такому дефекту, как полосчатость структуры кристалла. Для преодоления этого дефекта структуры необходимы меры по уменьшению конвекции.

В космических условиях открываются возможности приготовления однородных смесей, состоящих из компонентов с разной плотностью и с различными температурами плавления. На Земле такие смеси не могут быть устойчивы из-за силы Архимеда. Особый класс сплавов такого типа - это магнитные материалы, в том числе новые сверхпроводники.

Ранее отмечалось, что одно из преимуществ метода зонной плавки в космических условиях состоит в том, что можно получать монокристаллы более крупных размеров, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести позволяет также по-новому организовать процессы направленной кристаллизации. Таким путем могут быть получены нитевидные кристаллы большой длины («усы», или «уискеры») с повышенной прочностью.

Рассмотрим эксперименты, в которых исследовались практические возможности космической металлургии. Так, в эксперименте на станции «Скайлэб» были получены сплавы из компонентов, которые плохо смешиваются в земных условиях. В трех ампулах были размещены заготовки из сплавов золото-германий, свинец-цинк-сурьма, свинец-олово-индий. В космических условиях образцы подвергались переплавке несколько часов, выдерживались при температуре выше точки плавления, а затем охлаждались. Доставленные на Землю образцы обладают уникальными свойствами: однородность материалов оказалась выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле, а сплав золота с германием оказался сверхпроводящим при температуре около 1,5 К. Аналогические смеси, полученные из расплава на Земле, этим свойством не обладают, видимо, из-за отсутствия однородности.

В рамках советско-американской программы ЭПАС был проведен такой эксперимент, целью которого было исследование возможности получать магнитные материалы с улучшенными характеристиками. Для исследований были выбраны сплавы марганец-висмут и медь- кобальт-церий. В рабочей зоне электронагревной печи поддерживалась максимальная температура 1075 °C в течение 0,75 ч, а затем в течение 10,5 ч печь остывала. Затвердевание происходило в период сна космонавтов, чтобы снизить нежелательное воздействие вибраций при их перемещениях внутри станции. Наиболее важный результат этого эксперимента состоит в том, что у образцов первого типа, затвердевших на борту космического корабля, величина коэрцитивной силы на 60 % выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле.

Композиционные материалы. Композиционными материалами, или композитами, называют искусственно созданные материалы, которые состоят из основного связующего материала и прочного армирующего наполнителя. В качестве примеров можно привести комбинацию алюминия (связующий материал) со сталью, приготовленной в виде нитей (армирующий материал). Сюда же относятся и пенометаллы, т. е. металлы, в объеме которых содержится большое количество равномерно распределенных газовых пузырьков. По сравнению с образующими их компонентами композиционные материалы обладают новыми свойствами - повышенной прочностью при меньшем удельном весе. Попытка получить в наземных условиях композиты с основой, находящейся в жидком состоянии, приводит к расслоению материала. Приготовление композитов в космических условиях может обеспечить более однородное распределение армирующего наполнителя.

На станции «Скайлэб» был также поставлен эксперимент, цель которого состояла в получении композиционных материалов, армированных «усами» из карбида кремния (удельный вес 3,1). В качестве основного (матричного) материала было выбрано серебро (удельный вес 9,4). Композиционные материалы с металлической основой, армированные «усами», представляют практический интерес ввиду их высокой прочности. Техника их получения основана на последовательных процессах перемешивания, прессовки и спекания.

При проведении космического эксперимента размеры частиц серебряного порошка составляли ~ 0,5 мм, диаметр «усов» из карбида кремния ~ 0,1 мкм и средняя длина ~ 10 мкм. В кварцевой трубке, в которой размещался образец, имелся поршень из графита и кварца с пружиной для сжатия образца после расплавления, чтобы выдавливать из расплава пустоты. Исследование доставленных из космоса композиционных материалов показало, что по сравнению с контрольными образцами они обладают значительно более однородной структурой и более высокой твердостью. В случае материалов, полученных на Земле, четко видно структурное расслоение, происходит всплывание «усов» вверх.

Эвтектики. Эвтектика - это тонкая смесь твердых веществ, кристаллизация которых происходит одновременно при температуре ниже температуры плавления любого из компонентов или любых других смесей этих компонентов. Температура, при которой происходит кристаллизация такого расплава, называется эвтектической. Сплавы этого типа часто образуются из компонентов, сильно отличающихся друг от друга (например, в состав эвтектического сплава Вуда входят висмут, свинец, олово, кадмий). Эвтектические материалы широко применяются в науке и технике: их используют для изготовления лопаток газовых турбин, в качестве сверхпроводящих и специальных оптических материалов.

Для приготовления эвтектик обычно используют метод направленного затвердевания, т. е. затвердевания в одном заданном направлении. Применение этого метода в космических условиях представляет несомненный интерес, потому что из-за отсутствия конвекции можно улучшить однородность материала, а исключая контакт расплава со стенками, можно получать свободные от окислов материалы, которые будут обладать полезными оптическими свойствами.

Разновидностью эвтектик являются двухфазные системы типа «усов». Это игольчатые монокристаллы с весьма совершенной структурой, прочность которых благодаря отсутствию посторонних включений приближается к теоретически возможной. В невесомости такие материалы можно выращивать и внедрять в жидкий металл методами композиционного литья. Еще одна разновидность эвтектик - тонкие эпитаксиальные пленки. Такие пленки находят широкое применение при изготовлении транзисторов путем нанесения материала на твердую основу - подложку из жидкой или паровой фазы. Проявление конвекции в жидкости или в газе ведет к искажению решетки эпитаксиальных пленок, к появлению в них нежелательных включений и других дефектов структуры.

В космических условиях поставлен ряд экспериментов по исследованию эвтектических сплавов. Например, в одном эксперименте на станции «Скайлэб» исследовалось влияние невесомости на структуру сплава медь- алюминий при направленном затвердевании. В доставленных из космоса образцах количество дефектов уменьшилось на 12–20 %. В другом эксперименте на станции «Скайлэб» и МА 131 при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» исследовалось получение двухфазных эвтектик галогенидов (NaCl-NaF в первом случае и NaCl-LiF - во втором). При затвердевании такой эвтектики одна из фаз (NaF или LiF) может образовать нити, внедренные в другую фазу как в матричный материал.

Подобные эвтектики могут найти применение в качестве волоконных световодов для инфракрасной области спектра. Нитеподобные эвтектики, произведенные на Земле, обладают большим количеством дефектов, возникновение которых связано с колебательными конвекционными движениями в жидкости. Структура эвтектик галогенидов, полученных в космосе, оказалась более совершенной, что привело к улучшению их технических характеристик. Так, коэффициент пропускания света для образца первого типа возрос в 40 раз, а второго типа - в 2 раза по сравнению с аналогичными образцами, выращенными на Земле.

Технология получения неразъемных соединений. Как отмечалось выше, первые в мире работы в этой области выполнены в Советском Союзе в 1969 г. на космическом корабле «Союз-6». На советской космической станции «Салют-5» космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов продолжили исследования в этом направлении, успешно осуществив опыты по пайке металлов с помощью прибора «Реакция». Прибор «Реакция» (см. рис. 6) и размещаемый в нем экзоконтейнер по конструкции не были герметичны, и поэтому для имитации условий пайки в космическом пространстве из герметизированной области между муфтой и трубкой был заблаговременно откачан воздух (см. рис. 9). Трубка и муфта были изготовлены из нержавеющей стали, а для создания между ними капиллярных зазоров на поверхности трубки сделана накатка глубиной 0,25 мм. В качестве припоя был выбран высокотемпературный марганец-никелевый припой (температура пайки 1200–1220 °C), который характеризуется высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью.

Наземные металлографические исследования и испытания швов (на вакуумную плотность, на механическую прочность на разрывной машине с внутренним давлением до 500 атм) показали, что полученные в космосе паяные соединения по качеству не уступают полученным в земных условиях, а по ряду показателей превосходят их. В частности, наблюдается равномерное заполнение зазоров припоем, более однородна микроструктура металла (см. рис. 10).

Результаты испытаний на борту космических аппаратов различных методов сварки и пайки подтверждают, что при выполнении на перспективных космических объектах монтажно-сборочных работ эти методы получения неразъемных соединений найдут широкое применение.

Примечания:

Сегрегацией, или ликвацией, в металлургии называется неоднородность сплава по химическому составу.

Коэрцитивной силой называют напряженность магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика.

Волоконный световод - прозрачный диэлектрический стержень или нить (волокно), используемые в оптических системах для передачи света.

«Использование металлов» - Ртуть используют для заполнения термометров. В настоящее время многие предметы, которыми мы пользуемся в жизни, сделаны из металлов. Марк Аврелий. Принадлежности для шитья тоже делают из стали. Хороший проводник тепла и электричества (уступает только серебру). Из стали делают домашнюю утварь. Металлы в нашей жизни.

«Урок металлы» - Металлы. Цветные 10%. Интеграция химии с другими предметами. Избыток железа превращает человека в агрессивное существо с жестоким, эгоистичным характером. Химические элементы, составляющие тело человека. Болтливые люди, оказывается, любят поговорить от... обилия в организме ртути. Золото преобладает в организме тщеславных, заносчивых людей.

«Элементы-металлы» - Олово (лат. Олово было известно человеку уже в IV тысячелетии до н. э. Бронзовый век. Анничков мост в С-Петербурге. Чугунное литье. Натрий. Царь-пушка. Золото обладает исключительно высокой теплопроводностью и низким электрическим сопротивлением. Колосс Родосский. Железные швейные иглы. Дискобол. Natrium), мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

«Коррозия металла» - Общие свойства и получение. Разрушение металлов и сплавов под воздействием окружающей среды называется коррозией. Коррозия металлов. Коррозия металлов Способы получения металлов. Что вы узнаете (план изучения темы). Металлическая связь. Mеталлы в нашей жизни. Из двух металлов корродирует более активный.

«Характеристика металлов» - Железо. Ржавление и коррозия металлов. Хорошая электропроводность. К металлам относятся примерно 70 % всех химических элементов. Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Общая характеристика. Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: - 1,05%, - 0,12%. Разновидность металлов.

«Цветные металлы» - Кимберлитовая трубка “Мир” диаметр 1 500 м, глубина 500 м. Саянский алюминиевый комбинат. Алюминий олово медь вольфрам никель молибден магний серебро. Цветные металлы жаропрочны, хорошо проводят электрический ток, не ржавеют. Титан золото медь вольфрам цинк свинец алюминий олово. Легкие цветные металлы.

Легендарная ракета Р-7 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 в 1957 году.

Когда Сталин поставил перед С.П. Королёвым 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 и т. д. 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 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.

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.

Медь

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.

Титан и титановые сплавы

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!