Ракетные металлы: как закалялась сталь идругие металлы

      Комментарии к записи Ракетные металлы: как закалялась сталь идругие металлы отключены

Ракетные металлы: как закалялась сталь идругие металлы

Через месяц исполнится ровно полвека первому старту ракеты Р-7, что состоялся 15 мая 1957 года. Эта ракета, которая до сих пор носит всех отечественных астронавтов, есть абсолютным успехом конструкторской идеи над конструкционным материалом. Примечательно, что ровно через 3 десятилетия по окончании ее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты «Энергия», которая, напротив, применяла массу экзотических материалов, недоступных 30 лет назад.

В то время, когда Сталин поставил перед Королевым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новы для тогдашней советской индустрии, но к 1955 году уже провалились сквозь землю неприятности, каковые имели возможность бы помешать конструкторам воплощать идеи. К тому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, кроме того в 1955 году не отличались новизной — так как необходимо было учитывать затраты времени и денег при серийном производстве ракеты. Исходя из этого базой ее конструкции стали в далеком прошлом освоенные алюминиевые сплавы.

Раньше модно было именовать алюминий «крылатым металлом», подчеркивая, что в случае если конструкция не ездит по земле либо по рельсам, а летает, то она в обязательном порядке должна быть выполнена из алюминия. В действительности крылатых металлов большое количество, и это определение в далеком прошлом устарело. Спору нет, алюминий оптимален, достаточно недорог, сплавы его относительно прочны, он легко обрабатывается и т. д. Но из одного алюминия самолет не выстроишь.

А в поршневом самолете и дерево выяснялось в полной мере уместным (кроме того в ракете Р-7 в приборном отсеке имеется фанерные перегородки!). Унаследовав алюминий от авиации, этим металлом начала пользоваться и ракетная техника. Но тут-то именно и обнаружилась узость его возможностей.

Алюминий

«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий в три раза легче стали, весьма пластичен, но не весьма прочен.

Дабы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его значительно чаще кличем) — такое имя дала сплаву германская компания, в первый раз его предложившая в 1909 году (от заглавия города Дюрен). Данный сплав, не считая алюминия, содержит маленькие количества марганца и меди, быстро повышающие его жёсткость и прочность. Но имеется у дюраля и недочёты: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка).

Полную прочность он набирает со временем, данный процесс назвали «старением», а по окончании термообработки состаривать сплав необходимо заново. Исходя из этого подробности из него соединяют болтами и клёпкой.

В ракете он годится лишь на «сухие» отсеки — клепаная конструкция не гарантирует герметичности под давлением. Сплавы, которые содержат магний (в большинстве случаев не больше 6%), возможно деформировать и сваривать. Как раз их больше всего на ракете Р-7 (в частности, из них изготовлены все баки).

Американские инженеры имели в своем распоряжении более прочные алюминиевые сплавы, которые содержат до десятка различных компонентов. Но в первую очередь отечественные сплавы проигрывали заокеанским по разбросу особенностей. Ясно, что различные образцы смогут мало различаться по составу, а это ведет к отличию в механических особенностях.

В конструкции довольно часто приходится надеяться не на среднюю прочность, а на минимальную, либо гарантированную, которая у отечественных сплавов могла быть заметно ниже средней.

В последней четверти XX века прогресс в металлургии стал причиной появлению алюминий-литиевых сплавов. В случае если до этого добавки в алюминий были направлены лишь на повышение прочности, то литий разрешал сделать сплав заметно более легким. Из алюминий-литиевого сплава был сделан бак для водорода ракеты «Энергия», из него же делают на данный момент и баки «Шаттлов».

Наконец, самый экзотический материал на базе алюминия — боралюминиевый композит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле в стеклопластике: он удерживает совместно высокопрочные волокна бора. Данный 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. Однако как тогда, так и по сей день алюминий — металл №1 в ракете. Но, конечно же, имеется 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 громадной конструкции, а сосредоточена в точке либо нескольких точках, сталь побеждает у алюминия.

Сталь тверже — конструкция из стали, размеры которой не должны «плыть» под нагрузкой, получается практически в любое время компактнее и время от времени кроме того легче алюминиевой. Сталь значительно лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, за исключением самых экзотических сортов, сталь, в итоге, нужна для стартового сооружения, без которого ракета — ну, сами осознаёте

Но и баки ракеты смогут быть металлическими. Страно? Да. Но первая американская межконтинентальная ракета Atlas применяла баки как раз из тонкостенной нержавеющей стали. Чтобы металлическая ракета победила у алюминиевой, очень многое было нужно радикально поменять.

Толщина стенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20 дюйма), выше употреблялись более узкие страницы, 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 узкая стена сомнется кроме того под собственной тяжестью, исходя из этого форму она держит только за счет внутреннего давления: с момента изготовления баки герметизируются, наддуваются и сохраняются при повышенном внутреннем давлении.

В ходе изготовления стены подпираются особыми держателями изнутри. Самая сложная стадия этого процесса — приварка дна к цилиндрической части. Ее в обязательном порядке необходимо было выполнить за один проход, в следствии ее в течение шестнадцати часов делали пара бригад сварщиков, по две пары любая; бригады сменяли друг друга через четыре часа.

Наряду с этим одна из двух пар трудилась в бака.

Нелегкая, что и сказать, работа. Но на данной ракете американец Джон Гленн в первый раз вышел на орбиту. Да и дальше у нее была славная и продолжительная история, а блок Centaur летает и сейчас.

У «Фау-2», кстати, корпус также был металлическим — от стали всецело отказались лишь на ракете Р-5, в том месте металлический корпус был ненужным благодаря отделяющейся головной части.

Какой же металл возможно поставить на третье место «по ракетности»? Ответ может показаться очевидным. Титан?

Оказывается, вовсе нет.

Медь

Главной металл электро- и тепловой техники. Ну разве не необычно? Сверхтяжелый, не через чур прочный, по сравнению со сталью — легкоплавкий, мягкий, если сравнивать с алюминием — дорогой, но однако незаменимый металл.

Все дело в ужасной теплопроводности меди — она больше на порядок если сравнивать с недорогой сталью и в сорок раз если сравнивать с дорогой нержавейкой. Алюминий также проигрывает меди по теплопроводности, а заодно и по температуре плавления. А нужна эта свирепая теплопроводность в самом сердце ракеты — в ее двигателе.

Из меди делают внутреннюю стенку ракетного двигателя, ту, которая сдерживает трехтысячеградусный жар ракетного сердца. Дабы стена не расплавилась, ее делают составной — наружная, металлическая, держит механические нагрузки, а внутренняя, бронзовая, принимает на себя тепло.

В тоненьком зазоре между стенками идет поток горючего, направляющегося из бака в двигатель, и тут-то узнается, что медь побеждает у стали: дело в том, что температуры плавления отличаются на какую-то треть, а вот теплопроводность — в десятки раз. Так что металлическая стена прогорит раньше бронзовой. Прекрасный «бронзовый» цвет сопел двигателей Р-7 прекрасно виден на всех фотографиях и в телерепортажах о вывозе ракет на старт.

В двигателях ракеты Р-7 внутренняя, «огневая», стена сделана не из чистой меди, а из хромистой латуни, содержащей всего 0,8% хрома. Это пара снижает теплопроводность, но в один момент повышает большую рабочую температуру (жаростойкость) и облегчает жизнь технологам — чистая медь весьма вязкая, ее не легко обрабатывать резанием, а на внутренней рубахе необходимо выфрезеровать ребра, которыми она прикрепляется к наружной. Толщина оставшейся медной стены — всего миллиметр, такой же ребра и толщины, а расстояние между ними — около 4 миллиметров.

Чем меньше тяга двигателя, тем хуже условия охлаждения — расход горючего меньше, а относительная поверхность соответственно больше. Исходя из этого на двигателях малой тяги, используемых на космических аппаратах, приходится применять для охлаждения не только горючее, но и окислитель — азотную кислоту либо четырехокись азота. В таких случаях бронзовую стенку для защиты необходимо покрывать хромом с той стороны, где течет кислота.

Но и с этим приходится смиряться, потому, что двигатель с бронзовой огневой стенкой действеннее.

Справедливости для скажем, что двигатели со металлической внутренней стенкой также существуют, но их параметры, к сожалению, существенно хуже. И дело не только в мощности либо тяге, нет, главный параметр совершенства двигателя — удельный импульс — в этом случае делается меньше на четверть, если не на треть. У «средних» двигателей он образовывает 220 секунд, у хороших — 300 секунд, а у самых-ЖД «крутых и навороченных», тех, которых на «Шаттле» три штуки позади, — 440 секунд.

Действительно, этим двигатели с бронзовой стенкой обязаны не столько совершенству конструкции, сколько жидкому водороду. Керосиновый двигатель кроме того теоретически таким сделать нереально. Но бронзовые сплавы разрешили «выжать» из ракетного горючего до 98% его теоретической эффективности.

Серебро

Драгоценный металл, узнаваемый человечеству с древности. Металл, без которого не обойтись нигде. Как гвоздь, которого не появилось 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 вторых конструкционных материалов не имеет никакого отношения к мистике — мистический шлейф столетиями тянется только за этим металлом. И без того было в течение всей истории его применения человеком, значительно более продолжительной, чем у меди либо железа.

Что уж сказать об алюминии, что был открыт лишь в девятнадцатом столетии, а стал довольно недорогим и того позднее — в двадцатом.

За все годы людской цивилизации у этого неординарного металла было огромное количество разнообразных профессий и применений. Ему приписывали множество неповторимых особенностей, люди применяли его не только в собственной технической и научной деятельности, но и в магии. К примеру, продолжительное время считалось, что «его опасается всевозможная нечисть».

Главным недочётом этого металла была дороговизна, почему его постоянно приходилось расходовать экономно, правильнее, разумно — так, как потребовало очередное использование, которое ему придумывали неугомонные люди. Непременно ему обнаружили те либо иные заменители, каковые с течением времени с громадным либо меньшим успехом вытесняли его.

Сейчас, фактически на отечественных глазах, он исчезает из таковой красивой сферы деятельности человека, как фотография, которая в течение практически полутора столетий делала нашу жизнь более красивой, а летописи — более точными. А пятьдесят (либо около того) лет назад он начал утрачивать позиции в одном из старейших ремесел — чеканке монет. Само собой разумеется, монеты из этого металла производят и сейчас — но только для отечественного с вами развлечения: они в далеком прошлом прекратили быть фактически деньгами и превратились в товар — подарочный и коллекционный.

Быть может, в то время, когда физики изобретут ракетные двигатели и телепортацию будут уже не необходимы, наступит последний час и еще одной сферы его применения. Но пока что отыскать ему адекватную замену не удалось, и данный неповторимый металл остается в ракетостроении вне конкуренции — равно как и в охоте на вампиров.

Вы уже точно додумались, что все вышесказанное относится к серебру. Со времен ГИРДа и до сих пор единственным методом соединения частей камеры сгорания ракетных двигателей остается пайка серебряными припоями в вакуумной печи либо в инертном газе. Попытки отыскать бессеребряные припои для данной цели ни к чему пока не привели.

В отдельных узких областях эту задачку время от времени удается решить — к примеру, холодильники на данный момент чинят посредством бронзово-фосфорного припоя, — но в ЖРД замены серебру нет. В камере сгорания солидного ЖРД его содержание достигает сотен граммов, а время от времени доходит до килограмма.

Драгоценным металлом серебро именуют скорее по многотысячелетней привычке, имеется металлы, каковые не считаются драгоценными, но стoят намного дороже серебра. Например, бериллий. Данный металл в три раза дороже серебра, но и он применяется в космических аппаратах (действительно, не в ракетах). В основном он стал известным благодаря свойству замедлять и отражать нейтроны в ядерных реакторах.

В качестве конструкционного материала его стали использовать позднее.

Само собой разумеется, нереально перечислить все металлы, каковые возможно назвать гордым именем «крылатые», да и нет в этом потребности. Монополия металлов, существовавшая в первой половине пятидесятых годов, в далеком прошлом уже нарушена стекло- и углепластиками. Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовых ракетах, а вот в самолетах они внедряются значительно шире.

Углепластиковые обтекатели, закрывающие нужную нагрузку, и углепластиковые сопла двигателей верхних ступеней уже существуют и неспешно начинают составлять борьбу железным подробностям.

Но с металлами, как мы знаем из истории, люди трудятся уже примерно десять тысяч лет, и не так-то равноценную замену этим материалам.

титановые сплавы и Титан

Самый актуальный металл космического века.

Вопреки обширно распространенному точке зрения, титан не весьма активно используется в ракетной технике — из титановых сплавов по большей части делают газовые баллоны большого давления (особенно для гелия). Титановые сплавы становятся прочнее, в случае если поместить их в баки с жидким кислородом либо жидким водородом, в следствии это разрешает снизить их массу.

На космическом корабле ТКС, что, действительно, так ни разу и не полетел с астронавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздушное пространство для него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титаного сплава с рабочим давлением 330 воздухов. Любой таковой баллон весил 19 килограммов. Это практически впятеро легче, чем обычный сварочный баллон такой же вместимости, но рассчитанный на в два раза меньшее давление!

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№54, апрель 2007).

Как закалялась сталь 1 серия


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: