Стив Карпел

К

осмическое пространство порой называют «последней границей», хотя запуск космических кораблей на околоземную орбиту и за ее пределы, конечно же, больше не является чем-то необычным. Ежегодно производятся пуски десятков спутников в исследовательских и разведывательных целях, для установления связи, но средства массовой информации едва ли обращают на них внимание.
    По данным Международного Совета по вопросам предпринимательства в космосе (Бетесда, штат Мэриленд, США), в этом году доходы мировой космической промышленности, как ожидается, составят 104,6 млрд долл. по сравнению с 96,9 млрд долл. в 2003 году.
    Более масштабные и сложные космические исследования, подобные нынешнему всплеску активности по изучению Марса, естественно, привлекают значительное внимание во всем мире, однако, если во время таких полетов что-нибудь пойдет не так, как должно, это может вызвать нежелательный резонанс.
    Исключительная важность многих крупнейших запусков и относительно высокая стоимость любой неудачи означают, что используемые материалы входят в число самых «продвинутых» и тщательно изученных, о каком бы секторе экономики ни шла речь. Однако это отнюдь не означает, что космос является подходящим местом для испытания новых материалов: перед запуском все они должны быть изучены и проверены, чтобы исключить всякую возможность неудачи.
    Как предполагает экономика космических запусков, хотя сила притяжения может в космосе исчезнуть, вес общей полезной нагрузки при взлете имеет очень важное значение и должен быть сокращен до минимума, как, собственно, и при посадке. Поэтому легкие металлы играют важную роль в этой области вследствие своих низкой плотности и других важных физических свойств, хотя сейчас с ними начали конкурировать недавно разработанные композиционные материалы, плотность которых еще ниже.
    «Для уменьшения веса мы применяем много алюминиевых сплавов», — говорит Сэндип Шах из Центра НАСА по космическим полетам имени Маршалла в городе Хантсвилл, штат Алабама, который занимается в основном стартовыми двигателями, ракетоносителями и топливными баками.
    На протяжение нескольких лет алюминиевый сплав 2219 в состоянии T851 являлся главным компонентом, использовавшимся на космических кораблях, отмечает Бэрри Данн, руководитель подразделения по материалам и процессам Европейского космического агентства (ESA-Estec) в городе Нордуик, Нидерланды. Этот сплав, например, является основным конструкционным материалом ракет ESA «Ариан-4» и «Ариан-5». Он также использовался при создании челночного космического аппарата, космической станции, космической лаборатории и модуля «Колумб», хотя, как говорит Шах, корпус аппарата «Шаттл Орбитер» конструируется с применением иного (не раскрываемого) алюминиевого сплава.
    Однако сплав 2219 едва ли является новым: он был разработан компанией Alcoa 50 лет назад и представляет собой надежно проверенный и испытанный материал. Он известен своей очень высокой стойкостью к трещинам и хорошо поддается сварке. Эти трещины, возникающие в результате совместного воздействия длительного напряжения при растяжении и коррозии, могут привести к преждевременному выходу металлов из строя. Поэтому долгосрочные условия их хранения на Земле, а не только условия в космосе, имеют в этом плане важное значение. Как указывает Данн, это действительно так, поскольку космодромы обычно находятся в местах, благоприятных для возникновения коррозии из-за близости моря.
    Консервативный сектор
    Данн характеризует космическую отрасль как «очень консервативную» в том, что касается возможного освоения новых материалов, а Шах подтверждает, что может потребоваться от 10 до 15 лет для того, чтобы «новый» материал нашел свое применение в какой-либо крупной космической программе.
    Тем не менее за прошедшие годы сформировался необходимый набор сплавов и композиционных материалов. В частности, компания Alliant Techsystems (ATK) в городе Эдина, штат Миннесота, США, которая претендует на роль ведущего мирового поставщика ракетных двигателей, является решительным сторонником применения графитоэпоксидных композитов в своих системах.
    «С помощью композитов можно избавиться от лишнего веса, и они лучше переносят условия космической среды, особенно циклическое воздействие температуры», — утверждает представитель компании Брайс Хэллоуэлл. Он отмечает, что для таких точных приборов, как космические телескопы, требуются материалы, не меняющие свои размеры или форму под воздействием очень больших колебаний температуры (до 250°C), которые возможны на орбите.
    Несмотря на решительное предпочтение композитов, ATK по-прежнему применяет в нескольких своих пусковых системах легкие металлы — алюминий и титан. В целях сокращения веса также часто используется алюминиевая сотовая конструкция. Например, в спутнике геосинхронных эксплуатационных исследований окружающей среды N-Q применяются алюминиевая сотовая решетка с композитными лицевыми обшивками в ее зажиме и конструкционные оптические кронштейны; решетка также снабжена титановыми фитингами.
    Теплозащитный фильтр, междукаскадный адаптер и хвостовое оперение ракеты «Атлас V» содержат алюминиевые сотовые решетки с защитным графитоэпоксидным слоем. Сходная комбинация применяется и на пусковых аппаратах «Пегас®». В шинной структуре спутника «Орбвью 4» алюминий используется как в лицевых обшивках, так и в материалах каркаса.
    Примеры использования компанией АТК титана включают фитинги и вкладыши для оптических кронштейнов на спутнике дальних ультрафиолетовых спектроскопических исследований (они также могут изготавливаться из сплава «Invar™»), а также компоненты пластикового рефлектора из гидрида титана на азиатском спутнике сотовой связи.
    Вездеход для исследования Марса «Оппортьюнити», который в настоящее время путешествует по Красной планете, использует оптическую мачту, изготовленную АТК из титана и композита для того, чтобы навигационные и панорамные камеры находились высоко над поверхностью планеты.
    Хотя некоторые композиты уже «обосновались» в космосе, Данн из компании ESA констатирует, что у этих материалов есть недостаток, заключающийся в том, что они содержат значительное количество воды, которая может удалять газ в условиях безвоздушного пространства, а затем конденсироваться на конструкции в виде льда.
    Секретариат организации «Европейское сотрудничество в стандартизации космических исследований» (ECSS) опубликовал в феврале документ под названием «Гарантии материалов для космических исследований» (ECSS-Q-70-71A), который содержит краткий справочник по материалам и процессам в этой области. В приводимых стандартах перечисляются 17 основных ограничений при выборе материалов, которые необходимо проанализировать прежде, чем использовать любой сплав, металл или композит.
    Вкратце они включают: воздействие температуры, циклический термоэффект, удаление газа в безвоздушном пространстве, опасности или риски пилотируемых полетов, отход газа и токсичность в замкнутой среде, развитие бактерий и грибков, воспламеняемость, ухудшение свойств в результате корпускулярной или ультрафиолетовой радиации, характеристики электрических заряда и разряда, стойкость к ударам молнии, к химической коррозии, к коррозии под напряжением, жидкостную совместимость (особенно с жидким или газообразным кислородом, жидким или газообразным водородом), совместимость с контактной коррозией, стойкость к атомарному кислороду (появляется на высотах от 200 до 700 км), стойкость к воздействию микрометеоритных тел и обломков, абсорбционные и десорбционные качества (особенно это касается материалов с полимерной основой).
    Стандарты ECSS устанавливают условия использования широкого набора металлов и других материалов, включая алюминий, титан и их сплавы. Согласно рекомендациям, сплавы магния не должны использоваться в местах, подверженных износу, неправильному обращению, эрозии или там, где возможно задержание жидкости или влаги. Указывается также на необходимость ограничить применение бериллия и его сплавов, пользуясь ими только тогда, когда их свойства обеспечивают определенные эксплуатационные качества и дают стоимостные преимущества по сравнению с другими альтернативными материалами.
    В космическом корабле алюминиевые сплавы используются в основных и вспомогательных конструкциях, водопроводной сети, листовой обшивке, алюминированных прокладках и наливных отверстиях. Новые разработки последнего времени включают добавки лития для улучшения эксплуатационных качеств и снижения плотности, хотя эти алюминиевые сплавы чувствительны к трещинам, образовавшимся в результате коррозии под напряжением. Некоторые алюминиевые сплавы высокой прочности тонко плакируются чистым алюминием для повышения сопротивляемости коррозии.
    Шах говорит, что НАСА проявляет все больший интерес к алюминиево-литиевому сплаву и при изготовлении наружных топливных баков космического челнока уже используют сплав 2195 вместо сплава 2219. Это помогло значительно, на 7500 фунтов (3400 кг), уменьшить общий вес баков.
    Как указывает Шах, отмечается также рост интереса к алюминиево-бериллиевым сплавам из-за их низкой плотности, высоких прочности и жесткости, хотя в настоящее время на челноке они не используются. Однако тревога по поводу токсичности бериллия означает, что производителей компонентов надо будет убедить в безопасности работы с подобными сплавами.
    Прорыв для бериллия
    В настоящее время в исследовательской лаборатории ВВС США в Дейтоне, штат Огайо, изучают алюминиево-бериллиевые сплавы, содержащие от 35 % до 65 % бериллия. Утверждается, что исследователи добились прорыва в сложном производстве определенных конструкционных аэрокосмических компонентов. Если испытания будут успешными, эти компоненты могут быть использованы на космических кораблях в 2004—2005 годах.
    Пришла также очередь металла матричных композитов (MMC) на основе алюминия и листового сплава с фиброармированными полимерными слоями. Фиброармированный алюминий уже использовался НАСА в конструкциях космического челнока и космического телескопа «Хаббл».
    «Мы пытаемся использовать алюминиево-матричные композиты для уменьшения веса посредством замены таких тяжелых металлических частей, как инконель, но пока успеха не добились», — говорит Шах. Он указывает: MMC не демонстрируют взаимодействия свойств, что имеет ключевое значение для материалов на этом участке работ. Поэтому к ним относятся с осторожностью. Их главный физический недостаток заключается в малой пластичности, т.е. в хрупкости.
    Как указывается в документе ECSS по стандартам, ни безвоздушное пространство, ни космическая радиация, ни атомарный кислород на низкой околоземной орбите не оказывают отрицательного воздействия на алюминий или сплавы титана, хотя необходимо учитывать, что все находящиеся в контакте металлы в безвоздушном пространстве имеют тенденцию к холодносварному соединению. Стойкость к радиации и защитные качества являются важными параметрами, особенно при длительных пилотируемых полетах на космических станциях.
    Использование титана
    Обычные сплавы титана используются в основных и вспомогательных конструкциях космических кораблей, плюс-защелках, водопроводных системах (в стандартных трубах – сплавы разной классификации и технически чистый титан) и в тех частях, где высокие температуры исключают возможность применения алюминиевых сплавов.
    Изделиям из технически чистого титана обычно отдается предпочтение за их химическую стойкость, тогда как использование сплавов обусловлено их прочностью, зависящей в огромной степени от термической обработки, которой их подвергают. Особенно выделяют четыре сплава титана за их высокую стойкость к трещинам, образующимся в результате коррозии под напряжением — Ti-3Al-2.5V, Ti-6Al-4V, Ti-13V-11Cr-3Al и IMI 829 (Ti-5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Si).
    Однако титан нельзя использовать в узлах, непосредственно связанных с топливом или двигателем, поскольку он вступает в реакцию с жидким кислородом. Согласно документу ECSS по стандартам, сплавы титана могут быть чувствительны к водородной хрупкости и лучше всего избегать их применения в водородных атмосферных слоях.
    Итак, каковы же новые перспективные области применения материалов? Как говорилось выше, неметаллические композиты, такие, как графитоэпоксидный, считаются материалами для уменьшения веса, и НАСА изучает их возможное использование в криогенных резервуарах для содержания жидкого водорода. Однако при низких температурах полимеры могут становиться хрупкими.
    Вызывают интерес также и керамические материалы, но они сильно подвержены хрупкости даже при температурах окружающей среды, хотя этому и можно частично противостоять с помощью армирования. Армированные керамические материалы сейчас тщательно изучаются, но говорить об их месте в исследованиях космоса еще рано, указывал представитель НАСА.
    По мнению Шаха, в долгосрочной перспективе алюминиевые сплавы, включая алюминиево-литиевые и, возможно, алюминиево-бериллиевые, будут приобретать все большое значение в космических исследованиях, особенно в долгосрочных проектах, связанных с полетами на Луну или Марс. Композиты, по всей вероятности, также укрепят свои позиции в определенных областях, но сейчас намного большую важность приобрел также стоимостной фактор: получение «идеального материала» должно быть сбалансировано расходами на его производство и превращение в желаемый компонент.