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.
За последние годы космос вновь стал тем, о чем все чаще говорят. О нем говорят везде - в новостях, газетах, по радио и, в конце концов, просто дома на кухне. И стоит отметить, что говорят совсем не зря. Человечество в очередной раз обратило пристальное внимание на небеса и старается дотянуться если не до звезд, то до соседних планет уж точно. Однако если кто-то думает, что речь сегодня пойдет о чем-то астрономическом, то он ошибается, речь пойдет немного об ином, о металлах и сплавах.
Думаю, не стоит лишний раз напоминать, какое значение имеют достижения металлургов в деле развития космической программы человечества. А вот поговорить о том, что осваивая космос, перед металлургией открываются новые технологические возможности, не только можно, но и нужно. О каких возможностях идет речь? Да все и так понятно – в невесомости меняются не только процессы течения жидкостей, но и процессы теплопереноса, а стало быть, появилась возможность использовать новые, ранее не опробованные способы получения и переработки металлических материалов.
Так, например, под действием поверхностного натяжения, расплав принимает форму шара и свободно зависает в пространстве. Как в свое время показали советские и американские исследования, расплавленный метал (медь), за 3 секунды превращается в шар, который в диаметре составляет 10 сантиметров. Однако интересно не это, а то, что металл в итоге не загрязняется никакими примесями, что в земных условиях сделать практически невозможно.
Далее полученному шару придают необходимую форму с помощью электрических и магнитных полей. Интерес представляет еще один эксперимент американцев, благодаря которому удалось узнать, что в глубоком космосе некоторые материалы просто-напросто испаряются. В основном это кадмий, цинк и сплавы магния. А наиболее устойчивыми металлами оказались вольфрам, сталь, платина и как ни удивительно, титан.
Собственно, именно титан наиболее всего заслуживает внимания. Дело в том, что титан на сегодняшний день является одним из самых важных конструкционных материалов. Связанно это в первую очередь с сочетанием легкости этого металла с прочностью и тугоплавкостью. Ни для кого не секрет, что на основе титана было создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники. Например, очень интересным свойством обладает сплав титана с никелем, который практически в прямом смысле «запоминает» свою форму. И если на холоде изделие из данного сплава можно сжимать в небольшой шар, то при нагревании, материал вновь приобретает первоначальный вид.
Узнавая все больше о свойствах металла в космосе и познавая новые металлургические возможности в получении отливок, некоторые бизнесмены забегают вперед в своих рассуждениях не только на словах. Еще писатели-фантасты вроде Айзека Азимова упоминали в своих произведениях реализацию добычи ископаемых не с родной Земли, а с астероидов. Эту идею долгое время вынашивали и обсуждали, считая, что добыча в космосе является заведомо не выгодным делом. Однако сколько людей, столько и мнений, поэтому буквально год назад стартовала новая космическая программа фонда X-Prize во главе с Питером Диамандисом, который считает, что выгоде быть. И пусть добычей металлов сразу заниматься X-Prize не планирует, однако он, возможно, станет настоящим пионером. Более подробно о задумке Диамандиса можно прочитать, просто кликнув сюда.
05ФевЛегендарная 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!
Категории: / / отСидоркина Ксения
В данной работе раскрыта роль химии в освоении космоса.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Введение
- Перспективы использования алюминия в космической отрасли.
- Титан и его сплавы в ракетостроении.
- Полимерные композиционные материалы в ракетостроении.
- Горючие металлы.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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!
- 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.
Андрей Суворов
Апрель 2007
Из каких материалов строят космические корабли, бороздящие бескрайние просторы Вселенной.
Через месяц исполнится ровно полвека первому старту ракеты Р-7, который состоялся 15 мая 1957 года. Эта ракета, которая до сих пор носит всех наших космонавтов, является безусловным триумфом конструкторской идеи над конструкционным материалом. Интересно, что ровно через 30 лет после ее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты «Энергия», которая, наоборот, использовала массу экзотических материалов, недоступных 30 лет назад.
Когда Сталин поставил перед Королевым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новы для тогдашней советской промышленности, но к 1955 году уже исчезли проблемы, которые могли бы помешать конструкторам воплощать идеи. К тому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, даже в 1955 году не отличались новизной - ведь нужно было учитывать затраты времени и денег при серийном производстве ракеты. Поэтому основой ее конструкции стали давно освоенные алюминиевые сплавы.
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 сейчас и баки «Шаттлов».
Наконец, самый экзотический материал на основе алюминия - боралюминиевый композит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле в стеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Этот материал только-только начал внедряться в отечественную космонавтику - из него сделана ферма между баками последней модификации разгонного блока «ДМ-SL», задействованного в проекте «Морской старт».
Выбор конструктора за прошедшие 50 лет стал намного богаче. Тем не менее как тогда, так и сейчас алюминий - металл №1 в ракете. Но, конечно же, есть и целый ряд других металлов, без которых ракета не сможет полететь.
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 треье 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 стЧят 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 стеклои 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!
