Поиск по сайту


+16
Издание предназначено для лиц старше 16-ти лет.

Культурно-просветительское издание о советской истории "Советика". Свидетельство о регистрации средства массовой информации - Эл№ ФС77-50088.

е-мейл сайта: sovetika@mail.ru

(Дмитрий Ластов)



Посмотрите еще..


Ленин. У руля Страны Советов - По воспоминаниям современников и документам


советские женщины - А.И. ЩЕТИНИНА




СОВЕТСКИЕ ЖУРНАЛЫ, Авиация и космонавтика (журнал №5 за 1968 г.), Металлы космического полета (Коровекий Ш.)

Металлы космического полета (Коровекий Ш.)

 

«Авиация и космонавтика (журнал №5 за 1968 г.)

Полет в космос — это колоссальная концентрация энергии, ювелирная точность работы и взаимодействия управляющих, регулирующих и исполнительных механизмов. А отсюда это также сложнейшая проблема материалов — самых прочных, самых стойких, самых эффективных как преобразователей энергии и самых легких. В космическом материаловедении проблема качественных чисел — концентрация свойств в единице веса или весовая отдача — играет первостепенную роль. Качественные числа нередко называются также удельными свойствами. Удельная прочность, например, есть отношение предела прочности Qв к удельному весу y. т. е. k= Qв/y.

А удельная теплоемкость — это количество тепла, затрачиваемого на нагрев единицы веса.

Ясно, что чем выше весовая отдача материала, тем легче и, как правило, дешевле космический аппарат и ракетная система для его запуска на орбиту.

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА МАТЕРИАЛЫ. В космосе не только люди, но и все материалы попадают в необычные условия. Тут действуют глубокий вакуум, космический холод, интенсивная солнечная и космическая радиация, быстро летящие метеоритные частицы. При взлете и посадке следует учитывать также интенсивный аэродинамический нагрев, перегрузки и вибрации.

Рассмотрим, как влияют различные условия космического пространства на металлы и другие материалы.

ГЛУБОКИЙ ВАКУУМ. Это прежде всего низкие давления. Уже на высоте 320 км давление составляет 10-6 мм рт. ст., а при удалении космического аппарата от поверхности Земли на ее радиус и более— 10-12 мм рт. ст. При температуре 100— 200°С это ниже упругости паров многих технических металлов. Например, цинк и кадмий, которые обычно используются в качестве антикоррозионных покрытий в авиационных конструкциях, в условиях космоса интенсивно испаряются, и их применение здесь исключается.

Упругость паров цинка при этих температурах составляет величину порядка 10-6 — 10-7, а кадмия — в 10-4 мм рт. ст. Даже магний, из которого были построены корпуса первых американских спутников «Авангард» и «Дискаверер», может работать на таких высотах только ограниченное время (упругость его паров 10-9 мм рт. ст.). Для увеличения времени его работы и повышения стойкости к микрометеоритам применяют сложные покрытия.

Зато алюминий, бериллий, железо, никель, кобальт, титан, а также многие их сплавы заметно не испаряются и могут долго работать в космосе. Некоторые тугоплавкие металлы — тантал, молибден и другие — заметно не испаряются даже при сильных нагревах. А их собрат — тугоплавкий хром — при нагревах выше 1400°С улетучивается весьма интенсивно.

Потеря смазывающих свойств обычных жидких смазок и абсорбционных пленок тоже объясняется высоким вакуумом. Густые смазки с низкой упругостью паров работают ограниченное время, если вакуум не очень глубок (порядка 10-6 мм рт. ст.). При длительной работе в вакууме частицы контактирующих тел (их ионы, атомы, молекулы) начинают интенсивно взаимодействовать, в результате чего резко увеличивается коэффициент трения, износ. Поверхности из родственных материалов схватываются между собой в контактных точках. Установлено, что в космическом пространстве более эффективны твердые смазки с низкой упругостью паров типа графита, дисульфида молибдена и т. п.

КОСМИЧЕСКИЙ ХОЛОД. Температура неосвещенных частей космических аппаратов может достигать —250°С и даже приближаться к абсолютному нулю (—273,2°С). При этом многие металлы и полимерные материалы становятся чрезвычайно хрупкими — хладноломкими. Это связано в основном с природой материала и его чистотой. Железо, молибден, хром, вольфрам, бериллий хладноломки уже при малом содержании примесей. Никель, медь, алюминий сохраняют высокую вязкость до очень низких температур даже при значительных примесях в кристаллической решетке.

Большинство резин и пластмасс также резко теряют вязкость в космическом холоде. А вот фторопласт (Ф-4) и ряд стеклопластов могут работать при весьма низких температурах.

СОЛНЕЧНАЯ И КОСМИЧЕСКАЯ РАДИАЦИЯ вне земной атмосферы значительно более интенсивна.

Интенсивная радиация вызывает нагрев материалов, ионизацию атомов, их смещение в кристаллической структуре, образование различного рода дефектов структуры, испарение и распыление оболочек космических аппаратов.

Обычный уровень радиации в космосе, по-видимому, не представляет большой опасности для прочности корпусов из металла и неорганических теплостойких материалов, но органические полимерные материалы, полупроводники, некоторые стекла могут сильно изменять свои свойства и даже терять работоспособность под влиянием радиации.

МЕТЕОРИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ, с которыми в полете может встретиться космический аппарат, имеют различные размеры. Чаще всего это частицы метеоритной пыли (доли микрон). Они встречают аппараты со скоростями порядка 10— 70 км/сек. При соударении происходит микровзрыв. Воронка на поверхности значительно превышает в размерах калибр космического снаряда, и полированная поверхность оболочки космического аппарата постепенно становится шероховатой. А шероховатая поверхность металла излучает тепло примерно вдвое интенсивнее, чем полированная. Следовательно, может нарушиться тепловой баланс аппарата. Однако в нашем распоряжении имеются покрытия с высокой степенью черноты, практически не реагирующие на мелкие изъязвления поверхности и стабилизирующие тепловой баланс. Имеются также другие методы его стабилизации.

Как показывают исследования, опасность повреждения обшивки более крупными частицами невелика, тем не менее ее приходится учитывать, особенно при создании холодильников излучателей энергетических установок, площадь которых может быть достаточно большой. Поэтому их стремятся делать из слоистых материалов высокой прочности.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ космических аппаратов происходит как при взлете, так и особенно при возвращении на Землю. Искусственный спутник на орбите высотой в 300 км обладает кинетической энергией порядка 2300 дж/кг, а энергия межпланетного корабля, входящего в атмосферу, вдвое больше. При вхождении в атмосферу основная часть кинетической энергии торможения переходит в тепло, которое передается космическому аппарату, в результате чего на его поверхности может развиваться температура до 1500—6000°С. Возникает проблема отвода тепла, защиты аппарата от разрушения. Сейчас эта проблема решается с помощью специальных отражательных экранов и теплопоглотителей, главным образом абляционных.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ, СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ. Материалы космических аппаратов должны быть легкими и отличаться высокой удельной прочностью. Очевидно, есть смысл искать их среди наиболее легких химических элементов, расположенных в верхнем левом углу таблицы Менделеева (рис. 1).

Таблица Менделеева

Таблица Менделеева

Одним из первых легких металлов, попавших в космос, является алюминий (Y =2.7 г/см3, tпл= 660°). В чистом виде это малопрочный материал (Qв — 4 кг/мм2), но в сплаве с другими элементами и после соответствующей термообработки удается получить материалы с прочностью порядка 40—70 кг/мм2 и удельной прочностью К = 15—25. Из одного такого сплава была изготовлена оболочка первого искусственного спутника Земли, запущенного на орбиту 4 октября 1957 года.

Наиболее распространенными являются дуралюмины. Они могут длительно выдерживать нагревы до 100—120°. В результате оксидировки на их поверхности получают твердую пленку, главным образом из окиси алюминия А12О3, которая отличается высокой твердостью и температурой плавления (≈ 2050°С). Это повышает стойкость конструкции к действию микрометеоритов.

Еще выше работоспособность специальных теплопрочных алюминиевых сплавов, таких, как САП (спеченный алюминиевый порошок) или САС (спеченный алюминиевый сплав). Они работают до температур порядка 300—500°С. При 250—350°С, когда прочность большинства алюминиевых сплавов обычно резко снижается, у них она сохраняется на уровне К = 10—15. Прочность этих сплавов можно еще повысить, добавляя в композицию тонкое сапфировое волокно. Материалы такие достаточно технологичны и дешевле титановых сплавов.

МАГНИИ. Имеет примерно ту же температуру плавления, что и алюминий, но на одну треть легче его. Удельная прочность его сплавов такая же, как у алюминия. И если не требуется особо высокая прочность, то деталям из магния можно отдать предпочтение, так как они более легки.

Магний хрупче алюминия, но лучше обрабатывается резанием. Хотя его модуль упругости (жесткость) меньше, чем у алюминия, однако, если учесть более низкий удельный вес, то жесткость конструкции на единицу веса может быть весьма большой.

Комплексное легирование позволило получить на его основе сплавы, отличающиеся высокой удельной прочностью в достаточно широком интервале рабочих температур и хорошими технологическими качествами.

ТИТАН. Он был введен в технический обиход двадцать лет назад. Будучи всего на 40% тяжелее алюминия, он имеет по сравнению с ним и его сплавами в 3—6 раз более высокую прочность и более чем вдвое превосходит их по абсолютной температуре плавления. В кислотах титан ведет себя не хуже нержавеющей стали. Резанием и давлением он обрабатывается примерно так же, как нержавеющая сталь. В атмосфере аргона и в вакууме неплохо сваривается. Сейчас применяются технический титан и уже довольно большая серия его сплавов.

Титану свойственны две кристаллические структуры — низкотемпературная (α — форма существующая до 880°С) и высокотемпературная (менее плотная β — форма, устойчивая до температуры плавления). Его сплавы также обладают разной кристаллической структурой. Обычно способность металла существовать а различных кристаллических формах свидетельствует о возможности упрочения его сплавов термической обработкой.

Технический титан, содержащий не более 1% примесей, хорошо работает до 350°С. При этом он проводит тепла в 20 раз меньше, чем алюминий. Но в космических конструкциях он, по-видимому, применяется мало.

Введение в титановые сплавы алюминия (2—8%) не только облегчает их, но, сохраняя a-структуру с высокой пластичностью, повышает прочность и коррозионную стойкость при нормальных и повышенных температурах. Такие сплавы хорошо свариваются. Из них, например, изготовлялись кованые кольца и узлы для космических кораблей «Меркурий», «Джемини», а также сосуды высокого давления для космического аппарата «Аполлон». С понижением температуры эти сплавы заметно упрочняются, не становясь хрупкими.

Так называемые α + β – сплавы, состоящие из смеси зернышек твердых растворов, более прочны и сохраняют это качество до более высоких температур. Из сплавов этого типа готовились корпуса двигателей ракеты «Минитмен». топливный контейнер и бак для окислителя ракеты «Титан III», сосуды высокого давления для криогенных жидкостей ракет «Атлас», корабля «Джемини» и ракетоплана X-15.

Наиболее прочными являются термические упрочняемые сплавы, в которых даже при низких температурах сохраняется структура р-титана. Из них, например, изготовлялись каркас космической капсулы «Меркурий» н ряд ее обшивок.

БЕРИЛЛИЙ. Он (и его сплавы) имеет еще более высокую удельную прочность в сочетании с исключительно высокой же стойкостью, что делает его использование в конструкциях космических аппаратов весьма выгодным.

Будучи в 4 раза легче железа, бериллий превосходит по модулю упругости (основной мере жесткости материала) сталь в 1,5 раза, титан в 2,5, а алюминий в 4 раза. Он незначительно окисляется до 600°С. Для повышения работы при более высоких температурах в США недавно предложена технология получения хроматных покрытий.

По удельной теплоемкости бериллий превосходит все другие металлы. Чтобы расплавить 1 кг бериллия нужно затратить в 3,3 раза больше тепла, чем для плавления 1 кг железа (рис. 2).

Диаграмма

Диаграмма

Из бериллия готовят теплозащитные экраны, жесткие части инерциальных систем наведения, жесткие переходники, соединяющие космические аппараты с ракетной системой и многое другое.

СТАЛИ И СПЛАВЫ. Основу их составляет железо — весьма прочный и доступный материал. Сплавы эти достаточно жаропрочные. Но стали тяжелы: их плотность — 7,8—8,1 г/см3. Чтобы стали могли конкурировать в космических конструкциях с другими материалами, они должны быть исключительно прочны и высокотехнологичны. В последние годы такие стали найдены. Они называются сталями переходного мартенситно-аустенитного класса. Их состав строго определен. Помимо железа и углерода они содержат никель и марганец, способствующие получению при быстром охлаждении так называемой аустенитной структуры. В результате стали сохраняют высокую пластичность и хорошую свариваемость, но становятся менее прочными. Кроме того, в них вводят алюминий (или ванадий), способствующий при последующем нагреве (старении) или сильном охлаждении в сочетании с механической обработкой давлением распаду аустенита и его переходу в мартенсит. При этом снижается пластичность сталей, но резко вырастают пределы текучести и прочности. Предел прочности достигает у новых сталей 160— 350 кг/мм2 (удельная прочность — 20—40, т. е. такая же. как у титановых сплавов, но они примерно раз в 5 дешевле последних).

НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ И ЖАРОПРОЧНЫЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ. НИКЕЛЕВЫЕ И КОБАЛЬТОВЫЕ СПЛАВЫ широко применяются в авиационном и ракетном двигателестроении, а также при производстве гиперзвуковых летательных аппаратов. Эти материалы обладают прочностью около 90—160 кг/мм2 при нормальных температурах, но отличаются высоким сопротивлением ползучести при длительных нагревах до 800—1100°С и высокой вязкостью при криогенных температурах. Стойки против окисления при нагреве и в большинстве своем технологичны. Из листа кобальтового сплава была сварена, в частности, наружная оболочка капсулы «Меркурий», а из никелевого сплава инконель — емкости для хранения жидкого азота и кислорода на космическом корабле «Аполлон». Из нитей нержавеющей стали сотканы парашюты для космических аппаратов, возвращающихся на Землю. Толщина отдельных нитей — 12 мк. Ткань сохраняет высокую прочность до 820° и слабо окисляется при нагревах.

Коровский Ш., доцент, кандидат технических наук

«Авиация и космонавтика (журнал №5 за 1968 г.)

 



НАВЕРХ

Внимание! При использовании материалов сайта, активная гиперссылка на сайт Советика.ру обязательна! При использовании материалов сайта в печатных СМИ, на ТВ, Радио - упоминание сайта обязательно! Так же обязательно, при использовании материалов сайта указывать авторов материалов, художников, фотографов и т.д. Желательно, при использовании материалов сайта уведомлять авторов сайта!



Советские журналы


Интересное

Одна из красивейших женщин советского кинематографа Эльза Леждей


Роман Кармен - Дыхание Мадрида - очерки об Испании 1936-1937 годах


Новое на сайте

19.05. новости - Валентина Ананьина - более 200 ролей в кино

16.05. новости - Ушел из жизни советский певец Ренат Ибрагимов

10.05. новости - 9 мая - Великий День Победы

30.04. Земля первых. Маршрутами пятилетки (из журнала "Кругозор"). 1972-й год.

28.04. гостиная - Была Екатерина – стала Рина. Как небольшая опечатка послужила рождению яркого псевдонима

25.04. новости - Борис Андреев - любимый «БэФэ» советского кино

22.04. новости - Притягательная сила игры Михаила Козакова

20.04. новости - Николай Симонов. Живописное наследие художника

14.04. наука и космос - БОРИС ВАСИЛЬЕВИЧ КУРЧАТОВ

07.04. новости - Андрей Юрьевич Толубеев. Актерская стезя, предрешенная самой судьбой

 


 

© Sovetika.ru 2004 - 2022. Сайт о советском времени - книги, статьи, очерки, фотографии, открытки.

Flag Counter

Top.Mail.Ru