1. Ракетні метали | Журнал Популярна Механіка З яких матеріалів будують космічні кораблі, що борознять...
2. Залізо
3. мідь
4. срібло
5. Ракетні метали | Журнал Популярна Механіка
6. алюміній
7. Залізо
8. мідь
9. срібло
10. Ракетні метали | Журнал Популярна Механіка
11. алюміній
12. Залізо
13. мідь
14. срібло

Ракетні метали | Журнал Популярна Механіка

З яких матеріалів будують космічні кораблі, що борознять безкрайні простори Всесвіту.

Через місяць виповниться рівно півстоліття першого старту ракети Р-7, який відбулося 15 травня 1957 року. Ця ракета, яка до цих пір носить всіх наших космонавтів, є безумовним тріумфом конструкторської ідеї над конструкційним матеріалом. Цікаво, що рівно через 30 років після її запуску, 15 травня 1987 года, відбувся і перший старт ракети «Енергія», яка, навпаки, використовувала масу екзотичних матеріалів, недоступних 30 років тому.

Коли Сталін поставив перед Корольовим завдання копіювання Фау-2, багато її матеріали були нові для тодішньої радянської промисловості, але до 1955 року вже зникли проблеми, які могли б перешкодити конструкторам втілювати ідеї. До того ж матеріали, використані при створенні ракети Р-7, навіть в 1955 році не відрізнялися новизною - адже потрібно було враховувати витрати часу і грошей при серійному виробництві ракети. Тому основою її конструкції стали давно освоєні алюмінієві сплави.

Раніше модно було називати алюміній «крилатим металом», підкреслюючи, що якщо конструкція не їздить по землі або по рейках, а літає, то вона обов'язково повинна бути виконана з алюмінію. Насправді крилатих металів багато, і це визначення давно вийшло з моди. Безперечно, алюміній хороший, досить дешевий, сплави його порівняно міцні, він легко обробляється і т. Д. Але з одного алюмінію літак не побудуєш. А в поршневому літаку і дерево виявлялося цілком доречним (навіть в ракеті Р-7 в приладовому відсіку є фанерні перегородки!). Успадкувавши алюміній від авіації, цим металом стала користуватися і ракетна техніка. Але тут-то якраз і виявилася вузькість його можливостей.

алюміній

«Крилатий метал», улюбленець авіаконструкторів. Чистий алюміній втричі легше стали, дуже пластичний, але не дуже міцний.

Щоб він став гарним конструкційним матеріалом, з нього доводиться робити сплави. Історично першим був дуралюмин (дюралюміній, дюраль, як ми його найчастіше кличемо) - таке ім'я дала сплаву німецька фірма, вперше його запропонувала в 1909 році (від назви міста Дюрен). Цей сплав, крім алюмінію, містить невеликі кількості міді і марганцю, що різко підвищують його міцність і твердість. Але є у дюралю і недоліки: його не можна зварювати і складно штампувати (потрібна термообробка). Повну міцність він набирає з часом, цей процес назвали «старінням», а після термообробки состарівают сплав потрібно заново. Тому деталі з нього з'єднують клепкою і болтами.

У ракеті він годиться тільки на «сухі» відсіки - клепана конструкція не гарантує герметичності під тиском. Сплави, що містять магній (зазвичай не більше 6%), можна деформувати і зварювати. Саме їх найбільше на ракеті Р-7 (зокрема, з них виготовлені всі баки).

Американські інженери мали в своєму розпорядженні більш міцні алюмінієві сплави, що містять до десятка різних компонентів. Але перш за все наші сплави програвали заокеанським по розкиду властивостей. Зрозуміло, що різні зразки можуть трохи відрізнятися за складом, а це призводить до різниці в механічні властивості. У конструкції часто доводиться покладатися не так на середню міцність, а на мінімальну, або гарантовану, яка у наших сплавів могла бути помітно нижче середньої.

В останній чверті XX століття прогрес в металургії привів до появи алюміній-літієвих сплавів. Якщо до цього добавки в алюміній були спрямовані тільки на збільшення міцності, то літій дозволяв зробити сплав помітно більш легким. З алюміній-літієвий сплаву був зроблений бак для водню ракети «Енергія», з нього ж роблять зараз і баки «Шаттлов».

Нарешті, самий екзотичний матеріал на основі алюмінію - боралюмініевий композит, де алюмінію відведена та ж роль, що і епоксидної смоли в склопластику: він утримує разом високоміцні волокна бору. Цей матеріал тільки-тільки почав впроваджуватися в вітчизняну космонавтику - з нього зроблена ферма між баками останньої модифікації розгінного блоку «ДМ-SL», задіяного в проекті «Морський старт». Вибір конструктора за минулі 50 років став набагато багатше. Проте як тоді, так і зараз алюміній - метал №1 в ракеті. Але, звичайно ж, є і цілий ряд інших металів, без яких ракета не зможе полетіти.

Титан та титанові сплави Наймодніший метал космічного століття. Всупереч широко поширеній думці, титан не надто широко застосовується в ракетній техніці - з титанових сплавів в основному роблять газові балони високого тиску (особливо для гелію). Титанові сплави стають міцнішими, якщо помістити їх в баки з рідким киснем або рідким воднем, в результаті це дозволяє знизити їх масу. На космічному кораблі ТКС, який, правда, так жодного разу і не полетів з космонавтами, привід стикувальних механізмів був пневматичним, повітря для нього зберігався в декількох 36-літрових куля-балонах з титану з робочим тиском 330 атмосфер. Кожен такий балон важив 19 кілограмів. Це майже уп'ятеро легше, ніж стандартний зварювальний балон такої ж місткості, але розрахований на вдвічі менший тиск!

Залізо

Незамінний елемент будь-яких інженерних конструкцій. Залізо у вигляді різноманітних високоміцних нержавіючих сталей - другий по застосуванню метал в ракетах. Скрізь, де навантаження не розподілена по великій конструкції, а зосереджена в точці або декількох точках, сталь виграє у алюмінію. Сталь жорсткіше - конструкція зі сталі, розміри якої не повинні «плисти» під навантаженням, виходить майже завжди компактніше і іноді навіть легше алюмінієвої. Сталь набагато краще переносить вібрацію, більш терпима до нагрівання, сталь дешевше, за винятком самих екзотичних сортів, сталь, в кінці кінців, потрібна для стартового споруди, без якого ракета - ну, самі розумієте ...

Але і баки ракети можуть бути сталевими. Дивовижно? Так. Однак перша американська міжконтинентальна ракета Atlas використовувала баки саме з тонкостінної нержавіючої сталі. Для того щоб сталева ракета виграла у алюмінієвої, багато довелося радикально змінити. Товщина стінок баків у рухового відсіку досягала 1,27 міліметра (1/20 дюйма), вище використовувалися більш тонкі листи, і у самого верху гасового бака товщина становила всього 0,254 міліметра (0,01 дюйма). А водневий розгінний блок Centaur, зроблений за таким же принципом, має стінку товщиною всього лише з лезо бритви - 0,127 міліметра!

Настільки тонка стінка сомнется навіть під власною вагою, тому форму вона тримає виключно за рахунок внутрішнього тиску: з моменту виготовлення баки герметизуються, наддувається і зберігаються при підвищеному внутрішньому тиску. В процесі виготовлення стінки підпираються спеціальними утримувачами зсередини. Найскладніша стадія цього процесу - приварювання днища до циліндричної частини. Її обов'язково потрібно було виконати за один прохід, в результаті її протягом шістнадцяти годин робили кілька бригад зварювальників, по дві пари кожна; бригади змінювали один одного через чотири години. При цьому одна з двох пар працювала всередині бака.

Нелегка, що й казати, робота. Але зате на цій ракеті американець Джон Гленн вперше вийшов на орбіту. Та й далі у неї була славна і довга історія, а блок Centaur літає і до цього дня. У «Фау-2», між іншим, корпус теж був сталевим - від стали повністю відмовилися тільки на ракеті Р-5, там сталевий корпус виявився непотрібним завдяки відділяється головної частини. Який же метал можна поставити на третє місце «по ракетних»? Відповідь може здатися очевидним. Титан? Виявляється, зовсім немає.

мідь

Основний метал електро- і теплової техніки. Ну хіба не дивно? Досить важкий, не дуже міцний, в порівнянні зі сталлю - легкоплавкий, м'який, в порівнянні з алюмінієм - дорогий, але тим не менше незамінний метал.

Вся справа в жахливої ​​теплопровідності міді - вона більше в десять разів у порівнянні з дешевою сталлю і в сорок разів в порівнянні з дорогою нержавейкой. Алюміній теж програє міді по теплопровідності, а заодно і по температурі плавлення. А потрібна ця скажена теплопровідність в самому серці ракети - в її двигуні. З міді роблять внутрішню стінку ракетного двигуна, ту, яка стримує трехтисячеградусний жар ракетного серця. Щоб стінка не розплавиться, її роблять складовою - зовнішня, сталева, тримає механічні навантаження, а внутрішня, мідна, приймає на себе тепло.

У тоненькому зазорі між стінками йде потік пального, що прямує з бака в двигун, і тут-то з'ясовується, що мідь виграє у стали: справа в тому, що температури плавлення відрізняються на якусь третину, а ось теплопровідність - в десятки разів. Так що сталева стінка прогорить раніше мідної. Гарний «мідний» колір сопел двигунів Р-7 добре видно на всіх фотографіях і в телерепортажах про вивезення ракет на старт.

У двигунах ракети Р-7 внутрішня, «вогнева», стінка зроблена не з чистої міді, а з хромової бронзи, що містить всього 0,8% хрому. Це трохи знижує теплопровідність, але одночасно підвищує максимальну робочу температуру (жаростійкість) і полегшує життя технологам - чиста мідь дуже в'язка, її важко обробляти різанням, а на внутрішній сорочці потрібно вифрезерувана ребра, якими вона прикріплюється до зовнішньої. Товщина залишилася бронзової стінки - всього міліметр, такої ж товщини і ребра, а відстань між ними - близько 4 міліметрів.

Чим менше тяга двигуна, тим гірші умови охолодження - витрата палива менше, а відносна поверхня відповідно більше. Тому на двигунах малої тяги, що застосовуються на космічних апаратах, доводиться використовувати для охолодження не тільки пальне, але і окислювач - азотну кислоту або чотириокис азоту. У таких випадках мідну стінку для захисту потрібно покривати хромом з того боку, де тече кислота. Але і з цим доводиться миритися, оскільки двигун з мідної вогневої стінкою ефективніше.

Справедливості заради скажемо, що двигуни зі сталевою внутрішньою стінкою теж існують, але їх параметри, на жаль, значно гірше. І справа не тільки в потужності або тязі, немає, основний параметр досконалості двигуна - питомий імпульс - в цьому випадку стає менше на чверть, а то й на третину. У «середніх» двигунів він становить 220 секунд, у хороших - 300 секунд, а у самих-пресамого «крутих і наворочених», тих, яких на «Шаттл» три штуки ззаду, - 440 секунд. Правда, цим двигуни з мідної стінкою зобов'язані не стільки досконалості конструкції, скільки рідкого водню. Гасовий двигун навіть теоретично таким зробити неможливо. Однак мідні сплави дозволили «вичавити» з ракетного палива до 98% його теоретичної ефективності.

срібло

Дорогоцінний метал, відомий людству з давніх-давен. Метал, без якого не обійтися ніде. Як цвях, якого не виявилося в кузні у відомому вірші, він тримає на собі все. Саме він пов'язує мідь зі сталлю в рідинному ракетному двигуні, і в цьому, мабуть, проявляється його містична сутність. Жоден з інших конструкційних матеріалів не має ніякого відношення до містики - містичний шлейф століттями тягнеться виключно за цим металом. І так було протягом всієї історії його використання людиною, істотно більш довгої, ніж у міді або заліза. Що вже говорити про алюміній, який був відкритий тільки в дев'ятнадцятому столітті, а став відносно дешевим і того пізніше - в двадцятому.

За всі роки людської цивілізації у цього незвичайного металу була величезна кількість застосувань і різноманітних професій. Йому приписували безліч унікальних властивостей, люди використовували його не тільки в своїй технічній і науковій діяльності, а й у магії. Наприклад, довгий час вважалося, що «його боїться всіляка нечисть».

Головним недоліком цього металу була дорожнеча, через що його завжди доводилося витрачати економно, точніше, розумно - так, як вимагало чергове застосування, яке йому придумували невгамовні люди. Рано чи пізно йому знаходили ті чи інші замінники, які з плином часу з більшим чи меншим успіхом витісняли його.

Сьогодні, практично на наших очах, він зникає з такою прекрасною сфери діяльності людини, як фотографія, яка протягом майже півтора століття робила наше життя більш мальовничій, а літописі - більш достовірними. А п'ятдесят (або близько того) років тому він став втрачати позиції в одному з найдавніших ремесел - карбуванні монет. Звичайно, монети з цього металу випускають і сьогодні - але виключно для нашого з вами розваги: ​​вони давно перестали бути власне грошима і перетворилися в товар - подарунковий і колекційний.

Можливо, коли фізики винайдуть телепортацію і ракетні двигуни будуть вже не потрібні, настане останню годину і ще однієї сфери його застосування. Але поки що знайти йому адекватну заміну не вдалося, і цей унікальний метал залишається в ракетобудуванні поза конкуренцією - так само, як і в полюванні на вампірів.

Ви вже напевно здогадалися, що все вищесказане відноситься до сріблу. З часів Гирда і до сих пір єдиним способом з'єднання частин камери згоряння ракетних двигунів залишається пайка срібними припоями в вакуумній печі або в інертному газі. Спроби знайти безсрібні припої для цієї мети ні до чого поки не привели. В окремих вузьких областях цю задачку іноді вдається вирішити - наприклад, холодильники зараз лагодять за допомогою мідно-фосфорного припою, - але в ЖРД заміни сріблу немає. У камері згоряння великого ЖРД його зміст досягає сотень грамів, а іноді доходить до кілограма.

Дорогоцінним металом срібло називають радше за багатотисячолітньої звичкою, є метали, які не зважають на дорогоцінними, але стóят набагато дорожче срібла. Взяти хоча б берилій. Цей метал втричі дорожче срібла, а й він знаходить застосування в космічних апаратах (правда, не в ракетах). Головним чином він здобув популярність завдяки здатності сповільнювати і відображати нейтрони в ядерних реакторах. В якості конструкційного матеріалу його стали використовувати пізніше.

Звичайно, неможливо перелічити всі метали, які можна назвати гордим ім'ям «крилаті», та й немає в цьому потреби. Монополія металів, що існувала на початку 1950-х років, давно вже порушена скло і вуглепластика. Дорожнеча цих матеріалів уповільнює їх поширення в одноразових ракетах, а ось в літаках вони впроваджуються набагато ширше. Вуглепластикові обтічники, що прикривають корисне навантаження, і вуглепластикові сопла двигунів верхніх ступенів вже існують і поступово починають складати конкуренцію металевим деталям. Але з металами, як відомо з історії, люди працюють вже приблизно десять тисяч років, і не так-то просто знайти рівноцінну заміну цих матеріалів.

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2007 ).

Ракетні метали | Журнал Популярна Механіка

З яких матеріалів будують космічні кораблі, що борознять безкрайні простори Всесвіту.

Через місяць виповниться рівно півстоліття першого старту ракети Р-7, який відбулося 15 травня 1957 року. Ця ракета, яка до цих пір носить всіх наших космонавтів, є безумовним тріумфом конструкторської ідеї над конструкційним матеріалом. Цікаво, що рівно через 30 років після її запуску, 15 травня 1987 года, відбувся і перший старт ракети «Енергія», яка, навпаки, використовувала масу екзотичних матеріалів, недоступних 30 років тому.

Коли Сталін поставив перед Корольовим завдання копіювання Фау-2, багато її матеріали були нові для тодішньої радянської промисловості, але до 1955 року вже зникли проблеми, які могли б перешкодити конструкторам втілювати ідеї. До того ж матеріали, використані при створенні ракети Р-7, навіть в 1955 році не відрізнялися новизною - адже потрібно було враховувати витрати часу і грошей при серійному виробництві ракети. Тому основою її конструкції стали давно освоєні алюмінієві сплави.

Раніше модно було називати алюміній «крилатим металом», підкреслюючи, що якщо конструкція не їздить по землі або по рейках, а літає, то вона обов'язково повинна бути виконана з алюмінію. Насправді крилатих металів багато, і це визначення давно вийшло з моди. Безперечно, алюміній хороший, досить дешевий, сплави його порівняно міцні, він легко обробляється і т. Д. Але з одного алюмінію літак не побудуєш. А в поршневому літаку і дерево виявлялося цілком доречним (навіть в ракеті Р-7 в приладовому відсіку є фанерні перегородки!). Успадкувавши алюміній від авіації, цим металом стала користуватися і ракетна техніка. Але тут-то якраз і виявилася вузькість його можливостей.

алюміній

«Крилатий метал», улюбленець авіаконструкторів. Чистий алюміній втричі легше стали, дуже пластичний, але не дуже міцний.

Щоб він став гарним конструкційним матеріалом, з нього доводиться робити сплави. Історично першим був дуралюмин (дюралюміній, дюраль, як ми його найчастіше кличемо) - таке ім'я дала сплаву німецька фірма, вперше його запропонувала в 1909 році (від назви міста Дюрен). Цей сплав, крім алюмінію, містить невеликі кількості міді і марганцю, що різко підвищують його міцність і твердість. Але є у дюралю і недоліки: його не можна зварювати і складно штампувати (потрібна термообробка). Повну міцність він набирає з часом, цей процес назвали «старінням», а після термообробки состарівают сплав потрібно заново. Тому деталі з нього з'єднують клепкою і болтами.

У ракеті він годиться тільки на «сухі» відсіки - клепана конструкція не гарантує герметичності під тиском. Сплави, що містять магній (зазвичай не більше 6%), можна деформувати і зварювати. Саме їх найбільше на ракеті Р-7 (зокрема, з них виготовлені всі баки).

Американські інженери мали в своєму розпорядженні більш міцні алюмінієві сплави, що містять до десятка різних компонентів. Але перш за все наші сплави програвали заокеанським по розкиду властивостей. Зрозуміло, що різні зразки можуть трохи відрізнятися за складом, а це призводить до різниці в механічні властивості. У конструкції часто доводиться покладатися не так на середню міцність, а на мінімальну, або гарантовану, яка у наших сплавів могла бути помітно нижче середньої.

В останній чверті XX століття прогрес в металургії привів до появи алюміній-літієвих сплавів. Якщо до цього добавки в алюміній були спрямовані тільки на збільшення міцності, то літій дозволяв зробити сплав помітно більш легким. З алюміній-літієвий сплаву був зроблений бак для водню ракети «Енергія», з нього ж роблять зараз і баки «Шаттлов».

Нарешті, самий екзотичний матеріал на основі алюмінію - боралюмініевий композит, де алюмінію відведена та ж роль, що і епоксидної смоли в склопластику: він утримує разом високоміцні волокна бору. Цей матеріал тільки-тільки почав впроваджуватися в вітчизняну космонавтику - з нього зроблена ферма між баками останньої модифікації розгінного блоку «ДМ-SL», задіяного в проекті «Морський старт». Вибір конструктора за минулі 50 років став набагато багатше. Проте як тоді, так і зараз алюміній - метал №1 в ракеті. Але, звичайно ж, є і цілий ряд інших металів, без яких ракета не зможе полетіти.

Титан та титанові сплави Наймодніший метал космічного століття. Всупереч широко поширеній думці, титан не надто широко застосовується в ракетній техніці - з титанових сплавів в основному роблять газові балони високого тиску (особливо для гелію). Титанові сплави стають міцнішими, якщо помістити їх в баки з рідким киснем або рідким воднем, в результаті це дозволяє знизити їх масу. На космічному кораблі ТКС, який, правда, так жодного разу і не полетів з космонавтами, привід стикувальних механізмів був пневматичним, повітря для нього зберігався в декількох 36-літрових куля-балонах з титану з робочим тиском 330 атмосфер. Кожен такий балон важив 19 кілограмів. Це майже уп'ятеро легше, ніж стандартний зварювальний балон такої ж місткості, але розрахований на вдвічі менший тиск!

Залізо

Незамінний елемент будь-яких інженерних конструкцій. Залізо у вигляді різноманітних високоміцних нержавіючих сталей - другий по застосуванню метал в ракетах. Скрізь, де навантаження не розподілена по великій конструкції, а зосереджена в точці або декількох точках, сталь виграє у алюмінію. Сталь жорсткіше - конструкція зі сталі, розміри якої не повинні «плисти» під навантаженням, виходить майже завжди компактніше і іноді навіть легше алюмінієвої. Сталь набагато краще переносить вібрацію, більш терпима до нагрівання, сталь дешевше, за винятком самих екзотичних сортів, сталь, в кінці кінців, потрібна для стартового споруди, без якого ракета - ну, самі розумієте ...

Але і баки ракети можуть бути сталевими. Дивовижно? Так. Однак перша американська міжконтинентальна ракета Atlas використовувала баки саме з тонкостінної нержавіючої сталі. Для того щоб сталева ракета виграла у алюмінієвої, багато довелося радикально змінити. Товщина стінок баків у рухового відсіку досягала 1,27 міліметра (1/20 дюйма), вище використовувалися більш тонкі листи, і у самого верху гасового бака товщина становила всього 0,254 міліметра (0,01 дюйма). А водневий розгінний блок Centaur, зроблений за таким же принципом, має стінку товщиною всього лише з лезо бритви - 0,127 міліметра!

Настільки тонка стінка сомнется навіть під власною вагою, тому форму вона тримає виключно за рахунок внутрішнього тиску: з моменту виготовлення баки герметизуються, наддувається і зберігаються при підвищеному внутрішньому тиску. В процесі виготовлення стінки підпираються спеціальними утримувачами зсередини. Найскладніша стадія цього процесу - приварювання днища до циліндричної частини. Її обов'язково потрібно було виконати за один прохід, в результаті її протягом шістнадцяти годин робили кілька бригад зварювальників, по дві пари кожна; бригади змінювали один одного через чотири години. При цьому одна з двох пар працювала всередині бака.

Нелегка, що й казати, робота. Але зате на цій ракеті американець Джон Гленн вперше вийшов на орбіту. Та й далі у неї була славна і довга історія, а блок Centaur літає і до цього дня. У «Фау-2», між іншим, корпус теж був сталевим - від стали повністю відмовилися тільки на ракеті Р-5, там сталевий корпус виявився непотрібним завдяки відділяється головної частини. Який же метал можна поставити на третє місце «по ракетних»? Відповідь може здатися очевидним. Титан? Виявляється, зовсім немає.

мідь

Основний метал електро- і теплової техніки. Ну хіба не дивно? Досить важкий, не дуже міцний, в порівнянні зі сталлю - легкоплавкий, м'який, в порівнянні з алюмінієм - дорогий, але тим не менше незамінний метал.

Вся справа в жахливої ​​теплопровідності міді - вона більше в десять разів у порівнянні з дешевою сталлю і в сорок разів в порівнянні з дорогою нержавейкой. Алюміній теж програє міді по теплопровідності, а заодно і по температурі плавлення. А потрібна ця скажена теплопровідність в самому серці ракети - в її двигуні. З міді роблять внутрішню стінку ракетного двигуна, ту, яка стримує трехтисячеградусний жар ракетного серця. Щоб стінка не розплавиться, її роблять складовою - зовнішня, сталева, тримає механічні навантаження, а внутрішня, мідна, приймає на себе тепло.

У тоненькому зазорі між стінками йде потік пального, що прямує з бака в двигун, і тут-то з'ясовується, що мідь виграє у стали: справа в тому, що температури плавлення відрізняються на якусь третину, а ось теплопровідність - в десятки разів. Так що сталева стінка прогорить раніше мідної. Гарний «мідний» колір сопел двигунів Р-7 добре видно на всіх фотографіях і в телерепортажах про вивезення ракет на старт.

У двигунах ракети Р-7 внутрішня, «вогнева», стінка зроблена не з чистої міді, а з хромової бронзи, що містить всього 0,8% хрому. Це трохи знижує теплопровідність, але одночасно підвищує максимальну робочу температуру (жаростійкість) і полегшує життя технологам - чиста мідь дуже в'язка, її важко обробляти різанням, а на внутрішній сорочці потрібно вифрезерувана ребра, якими вона прикріплюється до зовнішньої. Товщина залишилася бронзової стінки - всього міліметр, такої ж товщини і ребра, а відстань між ними - близько 4 міліметрів.

Чим менше тяга двигуна, тим гірші умови охолодження - витрата палива менше, а відносна поверхня відповідно більше. Тому на двигунах малої тяги, що застосовуються на космічних апаратах, доводиться використовувати для охолодження не тільки пальне, але і окислювач - азотну кислоту або чотириокис азоту. У таких випадках мідну стінку для захисту потрібно покривати хромом з того боку, де тече кислота. Але і з цим доводиться миритися, оскільки двигун з мідної вогневої стінкою ефективніше.

Справедливості заради скажемо, що двигуни зі сталевою внутрішньою стінкою теж існують, але їх параметри, на жаль, значно гірше. І справа не тільки в потужності або тязі, немає, основний параметр досконалості двигуна - питомий імпульс - в цьому випадку стає менше на чверть, а то й на третину. У «середніх» двигунів він становить 220 секунд, у хороших - 300 секунд, а у самих-пресамого «крутих і наворочених», тих, яких на «Шаттл» три штуки ззаду, - 440 секунд. Правда, цим двигуни з мідної стінкою зобов'язані не стільки досконалості конструкції, скільки рідкого водню. Гасовий двигун навіть теоретично таким зробити неможливо. Однак мідні сплави дозволили «вичавити» з ракетного палива до 98% його теоретичної ефективності.

срібло

Дорогоцінний метал, відомий людству з давніх-давен. Метал, без якого не обійтися ніде. Як цвях, якого не виявилося в кузні у відомому вірші, він тримає на собі все. Саме він пов'язує мідь зі сталлю в рідинному ракетному двигуні, і в цьому, мабуть, проявляється його містична сутність. Жоден з інших конструкційних матеріалів не має ніякого відношення до містики - містичний шлейф століттями тягнеться виключно за цим металом. І так було протягом всієї історії його використання людиною, істотно більш довгої, ніж у міді або заліза. Що вже говорити про алюміній, який був відкритий тільки в дев'ятнадцятому столітті, а став відносно дешевим і того пізніше - в двадцятому.

За всі роки людської цивілізації у цього незвичайного металу була величезна кількість застосувань і різноманітних професій. Йому приписували безліч унікальних властивостей, люди використовували його не тільки в своїй технічній і науковій діяльності, а й у магії. Наприклад, довгий час вважалося, що «його боїться всіляка нечисть».

Головним недоліком цього металу була дорожнеча, через що його завжди доводилося витрачати економно, точніше, розумно - так, як вимагало чергове застосування, яке йому придумували невгамовні люди. Рано чи пізно йому знаходили ті чи інші замінники, які з плином часу з більшим чи меншим успіхом витісняли його.

Сьогодні, практично на наших очах, він зникає з такою прекрасною сфери діяльності людини, як фотографія, яка протягом майже півтора століття робила наше життя більш мальовничій, а літописі - більш достовірними. А п'ятдесят (або близько того) років тому він став втрачати позиції в одному з найдавніших ремесел - карбуванні монет. Звичайно, монети з цього металу випускають і сьогодні - але виключно для нашого з вами розваги: ​​вони давно перестали бути власне грошима і перетворилися в товар - подарунковий і колекційний.

Можливо, коли фізики винайдуть телепортацію і ракетні двигуни будуть вже не потрібні, настане останню годину і ще однієї сфери його застосування. Але поки що знайти йому адекватну заміну не вдалося, і цей унікальний метал залишається в ракетобудуванні поза конкуренцією - так само, як і в полюванні на вампірів.

Ви вже напевно здогадалися, що все вищесказане відноситься до сріблу. З часів Гирда і до сих пір єдиним способом з'єднання частин камери згоряння ракетних двигунів залишається пайка срібними припоями в вакуумній печі або в інертному газі. Спроби знайти безсрібні припої для цієї мети ні до чого поки не привели. В окремих вузьких областях цю задачку іноді вдається вирішити - наприклад, холодильники зараз лагодять за допомогою мідно-фосфорного припою, - але в ЖРД заміни сріблу немає. У камері згоряння великого ЖРД його зміст досягає сотень грамів, а іноді доходить до кілограма.

Дорогоцінним металом срібло називають радше за багатотисячолітньої звичкою, є метали, які не зважають на дорогоцінними, але стóят набагато дорожче срібла. Взяти хоча б берилій. Цей метал втричі дорожче срібла, а й він знаходить застосування в космічних апаратах (правда, не в ракетах). Головним чином він здобув популярність завдяки здатності сповільнювати і відображати нейтрони в ядерних реакторах. В якості конструкційного матеріалу його стали використовувати пізніше.

Звичайно, неможливо перелічити всі метали, які можна назвати гордим ім'ям «крилаті», та й немає в цьому потреби. Монополія металів, що існувала на початку 1950-х років, давно вже порушена скло і вуглепластика. Дорожнеча цих матеріалів уповільнює їх поширення в одноразових ракетах, а ось в літаках вони впроваджуються набагато ширше. Вуглепластикові обтічники, що прикривають корисне навантаження, і вуглепластикові сопла двигунів верхніх ступенів вже існують і поступово починають складати конкуренцію металевим деталям. Але з металами, як відомо з історії, люди працюють вже приблизно десять тисяч років, і не так-то просто знайти рівноцінну заміну цих матеріалів.

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2007 ).

Ракетні метали | Журнал Популярна Механіка

З яких матеріалів будують космічні кораблі, що борознять безкрайні простори Всесвіту.

Через місяць виповниться рівно півстоліття першого старту ракети Р-7, який відбулося 15 травня 1957 року. Ця ракета, яка до цих пір носить всіх наших космонавтів, є безумовним тріумфом конструкторської ідеї над конструкційним матеріалом. Цікаво, що рівно через 30 років після її запуску, 15 травня 1987 года, відбувся і перший старт ракети «Енергія», яка, навпаки, використовувала масу екзотичних матеріалів, недоступних 30 років тому.

Коли Сталін поставив перед Корольовим завдання копіювання Фау-2, багато її матеріали були нові для тодішньої радянської промисловості, але до 1955 року вже зникли проблеми, які могли б перешкодити конструкторам втілювати ідеї. До того ж матеріали, використані при створенні ракети Р-7, навіть в 1955 році не відрізнялися новизною - адже потрібно було враховувати витрати часу і грошей при серійному виробництві ракети. Тому основою її конструкції стали давно освоєні алюмінієві сплави.

Раніше модно було називати алюміній «крилатим металом», підкреслюючи, що якщо конструкція не їздить по землі або по рейках, а літає, то вона обов'язково повинна бути виконана з алюмінію. Насправді крилатих металів багато, і це визначення давно вийшло з моди. Безперечно, алюміній хороший, досить дешевий, сплави його порівняно міцні, він легко обробляється і т. Д. Але з одного алюмінію літак не побудуєш. А в поршневому літаку і дерево виявлялося цілком доречним (навіть в ракеті Р-7 в приладовому відсіку є фанерні перегородки!). Успадкувавши алюміній від авіації, цим металом стала користуватися і ракетна техніка. Але тут-то якраз і виявилася вузькість його можливостей.

алюміній

«Крилатий метал», улюбленець авіаконструкторів. Чистий алюміній втричі легше стали, дуже пластичний, але не дуже міцний.

Щоб він став гарним конструкційним матеріалом, з нього доводиться робити сплави. Історично першим був дуралюмин (дюралюміній, дюраль, як ми його найчастіше кличемо) - таке ім'я дала сплаву німецька фірма, вперше його запропонувала в 1909 році (від назви міста Дюрен). Цей сплав, крім алюмінію, містить невеликі кількості міді і марганцю, що різко підвищують його міцність і твердість. Але є у дюралю і недоліки: його не можна зварювати і складно штампувати (потрібна термообробка). Повну міцність він набирає з часом, цей процес назвали «старінням», а після термообробки состарівают сплав потрібно заново. Тому деталі з нього з'єднують клепкою і болтами.

У ракеті він годиться тільки на «сухі» відсіки - клепана конструкція не гарантує герметичності під тиском. Сплави, що містять магній (зазвичай не більше 6%), можна деформувати і зварювати. Саме їх найбільше на ракеті Р-7 (зокрема, з них виготовлені всі баки).

Американські інженери мали в своєму розпорядженні більш міцні алюмінієві сплави, що містять до десятка різних компонентів. Але перш за все наші сплави програвали заокеанським по розкиду властивостей. Зрозуміло, що різні зразки можуть трохи відрізнятися за складом, а це призводить до різниці в механічні властивості. У конструкції часто доводиться покладатися не так на середню міцність, а на мінімальну, або гарантовану, яка у наших сплавів могла бути помітно нижче середньої.

В останній чверті XX століття прогрес в металургії привів до появи алюміній-літієвих сплавів. Якщо до цього добавки в алюміній були спрямовані тільки на збільшення міцності, то літій дозволяв зробити сплав помітно більш легким. З алюміній-літієвий сплаву був зроблений бак для водню ракети «Енергія», з нього ж роблять зараз і баки «Шаттлов».

Нарешті, самий екзотичний матеріал на основі алюмінію - боралюмініевий композит, де алюмінію відведена та ж роль, що і епоксидної смоли в склопластику: він утримує разом високоміцні волокна бору. Цей матеріал тільки-тільки почав впроваджуватися в вітчизняну космонавтику - з нього зроблена ферма між баками останньої модифікації розгінного блоку «ДМ-SL», задіяного в проекті «Морський старт». Вибір конструктора за минулі 50 років став набагато багатше. Проте як тоді, так і зараз алюміній - метал №1 в ракеті. Але, звичайно ж, є і цілий ряд інших металів, без яких ракета не зможе полетіти.

Титан та титанові сплави Наймодніший метал космічного століття. Всупереч широко поширеній думці, титан не надто широко застосовується в ракетній техніці - з титанових сплавів в основному роблять газові балони високого тиску (особливо для гелію). Титанові сплави стають міцнішими, якщо помістити їх в баки з рідким киснем або рідким воднем, в результаті це дозволяє знизити їх масу. На космічному кораблі ТКС, який, правда, так жодного разу і не полетів з космонавтами, привід стикувальних механізмів був пневматичним, повітря для нього зберігався в декількох 36-літрових куля-балонах з титану з робочим тиском 330 атмосфер. Кожен такий балон важив 19 кілограмів. Це майже уп'ятеро легше, ніж стандартний зварювальний балон такої ж місткості, але розрахований на вдвічі менший тиск!

Залізо

Незамінний елемент будь-яких інженерних конструкцій. Залізо у вигляді різноманітних високоміцних нержавіючих сталей - другий по застосуванню метал в ракетах. Скрізь, де навантаження не розподілена по великій конструкції, а зосереджена в точці або декількох точках, сталь виграє у алюмінію. Сталь жорсткіше - конструкція зі сталі, розміри якої не повинні «плисти» під навантаженням, виходить майже завжди компактніше і іноді навіть легше алюмінієвої. Сталь набагато краще переносить вібрацію, більш терпима до нагрівання, сталь дешевше, за винятком самих екзотичних сортів, сталь, в кінці кінців, потрібна для стартового споруди, без якого ракета - ну, самі розумієте ...

Але і баки ракети можуть бути сталевими. Дивовижно? Так. Однак перша американська міжконтинентальна ракета Atlas використовувала баки саме з тонкостінної нержавіючої сталі. Для того щоб сталева ракета виграла у алюмінієвої, багато довелося радикально змінити. Товщина стінок баків у рухового відсіку досягала 1,27 міліметра (1/20 дюйма), вище використовувалися більш тонкі листи, і у самого верху гасового бака товщина становила всього 0,254 міліметра (0,01 дюйма). А водневий розгінний блок Centaur, зроблений за таким же принципом, має стінку товщиною всього лише з лезо бритви - 0,127 міліметра!

Настільки тонка стінка сомнется навіть під власною вагою, тому форму вона тримає виключно за рахунок внутрішнього тиску: з моменту виготовлення баки герметизуються, наддувається і зберігаються при підвищеному внутрішньому тиску. В процесі виготовлення стінки підпираються спеціальними утримувачами зсередини. Найскладніша стадія цього процесу - приварювання днища до циліндричної частини. Її обов'язково потрібно було виконати за один прохід, в результаті її протягом шістнадцяти годин робили кілька бригад зварювальників, по дві пари кожна; бригади змінювали один одного через чотири години. При цьому одна з двох пар працювала всередині бака.

Нелегка, що й казати, робота. Але зате на цій ракеті американець Джон Гленн вперше вийшов на орбіту. Та й далі у неї була славна і довга історія, а блок Centaur літає і до цього дня. У «Фау-2», між іншим, корпус теж був сталевим - від стали повністю відмовилися тільки на ракеті Р-5, там сталевий корпус виявився непотрібним завдяки відділяється головної частини. Який же метал можна поставити на третє місце «по ракетних»? Відповідь може здатися очевидним. Титан? Виявляється, зовсім немає.

мідь

Основний метал електро- і теплової техніки. Ну хіба не дивно? Досить важкий, не дуже міцний, в порівнянні зі сталлю - легкоплавкий, м'який, в порівнянні з алюмінієм - дорогий, але тим не менше незамінний метал.

Вся справа в жахливої ​​теплопровідності міді - вона більше в десять разів у порівнянні з дешевою сталлю і в сорок разів в порівнянні з дорогою нержавейкой. Алюміній теж програє міді по теплопровідності, а заодно і по температурі плавлення. А потрібна ця скажена теплопровідність в самому серці ракети - в її двигуні. З міді роблять внутрішню стінку ракетного двигуна, ту, яка стримує трехтисячеградусний жар ракетного серця. Щоб стінка не розплавиться, її роблять складовою - зовнішня, сталева, тримає механічні навантаження, а внутрішня, мідна, приймає на себе тепло.

У тоненькому зазорі між стінками йде потік пального, що прямує з бака в двигун, і тут-то з'ясовується, що мідь виграє у стали: справа в тому, що температури плавлення відрізняються на якусь третину, а ось теплопровідність - в десятки разів. Так що сталева стінка прогорить раніше мідної. Гарний «мідний» колір сопел двигунів Р-7 добре видно на всіх фотографіях і в телерепортажах про вивезення ракет на старт.

У двигунах ракети Р-7 внутрішня, «вогнева», стінка зроблена не з чистої міді, а з хромової бронзи, що містить всього 0,8% хрому. Це трохи знижує теплопровідність, але одночасно підвищує максимальну робочу температуру (жаростійкість) і полегшує життя технологам - чиста мідь дуже в'язка, її важко обробляти різанням, а на внутрішній сорочці потрібно вифрезерувана ребра, якими вона прикріплюється до зовнішньої. Товщина залишилася бронзової стінки - всього міліметр, такої ж товщини і ребра, а відстань між ними - близько 4 міліметрів.

Чим менше тяга двигуна, тим гірші умови охолодження - витрата палива менше, а відносна поверхня відповідно більше. Тому на двигунах малої тяги, що застосовуються на космічних апаратах, доводиться використовувати для охолодження не тільки пальне, але і окислювач - азотну кислоту або чотириокис азоту. У таких випадках мідну стінку для захисту потрібно покривати хромом з того боку, де тече кислота. Але і з цим доводиться миритися, оскільки двигун з мідної вогневої стінкою ефективніше.

Справедливості заради скажемо, що двигуни зі сталевою внутрішньою стінкою теж існують, але їх параметри, на жаль, значно гірше. І справа не тільки в потужності або тязі, немає, основний параметр досконалості двигуна - питомий імпульс - в цьому випадку стає менше на чверть, а то й на третину. У «середніх» двигунів він становить 220 секунд, у хороших - 300 секунд, а у самих-пресамого «крутих і наворочених», тих, яких на «Шаттл» три штуки ззаду, - 440 секунд. Правда, цим двигуни з мідної стінкою зобов'язані не стільки досконалості конструкції, скільки рідкого водню. Гасовий двигун навіть теоретично таким зробити неможливо. Однак мідні сплави дозволили «вичавити» з ракетного палива до 98% його теоретичної ефективності.

срібло

Дорогоцінний метал, відомий людству з давніх-давен. Метал, без якого не обійтися ніде. Як цвях, якого не виявилося в кузні у відомому вірші, він тримає на собі все. Саме він пов'язує мідь зі сталлю в рідинному ракетному двигуні, і в цьому, мабуть, проявляється його містична сутність. Жоден з інших конструкційних матеріалів не має ніякого відношення до містики - містичний шлейф століттями тягнеться виключно за цим металом. І так було протягом всієї історії його використання людиною, істотно більш довгої, ніж у міді або заліза. Що вже говорити про алюміній, який був відкритий тільки в дев'ятнадцятому столітті, а став відносно дешевим і того пізніше - в двадцятому.

За всі роки людської цивілізації у цього незвичайного металу була величезна кількість застосувань і різноманітних професій. Йому приписували безліч унікальних властивостей, люди використовували його не тільки в своїй технічній і науковій діяльності, а й у магії. Наприклад, довгий час вважалося, що «його боїться всіляка нечисть».

Головним недоліком цього металу була дорожнеча, через що його завжди доводилося витрачати економно, точніше, розумно - так, як вимагало чергове застосування, яке йому придумували невгамовні люди. Рано чи пізно йому знаходили ті чи інші замінники, які з плином часу з більшим чи меншим успіхом витісняли його.

Сьогодні, практично на наших очах, він зникає з такою прекрасною сфери діяльності людини, як фотографія, яка протягом майже півтора століття робила наше життя більш мальовничій, а літописі - більш достовірними. А п'ятдесят (або близько того) років тому він став втрачати позиції в одному з найдавніших ремесел - карбуванні монет. Звичайно, монети з цього металу випускають і сьогодні - але виключно для нашого з вами розваги: ​​вони давно перестали бути власне грошима і перетворилися в товар - подарунковий і колекційний.

Можливо, коли фізики винайдуть телепортацію і ракетні двигуни будуть вже не потрібні, настане останню годину і ще однієї сфери його застосування. Але поки що знайти йому адекватну заміну не вдалося, і цей унікальний метал залишається в ракетобудуванні поза конкуренцією - так само, як і в полюванні на вампірів.

Ви вже напевно здогадалися, що все вищесказане відноситься до сріблу. З часів Гирда і до сих пір єдиним способом з'єднання частин камери згоряння ракетних двигунів залишається пайка срібними припоями в вакуумній печі або в інертному газі. Спроби знайти безсрібні припої для цієї мети ні до чого поки не привели. В окремих вузьких областях цю задачку іноді вдається вирішити - наприклад, холодильники зараз лагодять за допомогою мідно-фосфорного припою, - але в ЖРД заміни сріблу немає. У камері згоряння великого ЖРД його зміст досягає сотень грамів, а іноді доходить до кілограма.

Дорогоцінним металом срібло називають радше за багатотисячолітньої звичкою, є метали, які не зважають на дорогоцінними, але стóят набагато дорожче срібла. Взяти хоча б берилій. Цей метал втричі дорожче срібла, а й він знаходить застосування в космічних апаратах (правда, не в ракетах). Головним чином він здобув популярність завдяки здатності сповільнювати і відображати нейтрони в ядерних реакторах. В якості конструкційного матеріалу його стали використовувати пізніше.

Звичайно, неможливо перелічити всі метали, які можна назвати гордим ім'ям «крилаті», та й немає в цьому потреби. Монополія металів, що існувала на початку 1950-х років, давно вже порушена скло і вуглепластика. Дорожнеча цих матеріалів уповільнює їх поширення в одноразових ракетах, а ось в літаках вони впроваджуються набагато ширше. Вуглепластикові обтічники, що прикривають корисне навантаження, і вуглепластикові сопла двигунів верхніх ступенів вже існують і поступово починають складати конкуренцію металевим деталям. Але з металами, як відомо з історії, люди працюють вже приблизно десять тисяч років, і не так-то просто знайти рівноцінну заміну цих матеріалів.

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2007 ).