Из чего же сделаны космические корабли будущего далекого и не очень

На днях пилотируемый космический корабль Crew Dragon совершил успешную посадку в водах Мексиканского залива, и тем самым ознаменовал очередной успех Илона Маска. Эта тест-миссия была самой интригующей за всю историю космоса, ведь возможно, именно она станет первым шагом человечества на пути колонизации Марса.

А сталь оказалась круче

При создании Crew Dragon использовались самые различные материалы: от композитных на основе углеволокна и титана до легированной стали 301 и железоникелевого сплава Inconel. Последующие серии межпланетных челноков Starship, как изначально анонсировал Илон Мак, должны были иметь корпус из карбона. Но уже в начале 2019 года публика узнала, что дизайн пилотируемого корабля претерпел значительные изменения и его обшивка будет изготавливаться из нержавеющей стали.

Такое конструктивное решение Илон Маск объяснил слишком большой стоимостью углеволокна. В интервью журналу Popular Mechanics он уточнил, что этот материал очень сложен в обработке, особенно, когда надо его компилировать в 60…120 слоев. Причем при работе со сложными формами он дает до 35% отходов, а стоимость его за килограмм составляет 135 долларов. Взвесив все за и против в компании было принято решение заменить карбоновое полотно на специальный нержавеющий сплав и, как показало тестирование, такой подход оправдал себя по всем пунктам.

Легированная сталь с очень высоким содержанием хрома и никеля технологична в применении. Она демонстрирует высокую механическую прочность, пластичность и коррозионную стойкость и, главное, стойко выдерживает воздействие экстравысоких и криогенных температур, что является идеальным качеством для космической отрасли. При этом она еще хорошо сваривается и формуется.

Например, если углеродистую сталь охладить жидким азотом, она разлетается на осколки подобно стеклу даже от легкого точечного удара. Углеволокно, составляющее основу карбона, способно выдерживать в воздушной атмосфере до +370°С, а композитные смолы, делающие его монолитым, начинают плавиться и при меньшей температуре. В то время, как сталь 301 при температурах +1000°С снижает свой предел прочности в 8…10 раз, а при более «комфортных» +600°С всего менее, чем в 2 раза.

Пока Илон Макс не раскрывает всей интриги и не дает окончательного утвердительного ответа о том, какой же именно стальной легированный сплав будет использоваться для окончательного строительства звездолета Starship. Пока он только сделал заявление, что сталь 301 компания будет заменять на другую и, что возможно это будет сталь 304. Но, как говорится, время покажет. Ведь все же космос может преподнести еще немало сюрпризов.

Полет фантазии и фактический полет

Ничто так не будоражит человеческое воображение, как освоение далеких галактик и планет. Ведь прежде, чем люди увидели реальную перспективу в освоении космоса из научных работ Циолковского, мир уже давно зачитывался повестью Вольтера «Микромегас» и романами Жюля Верна «С Земли на Луну», Герберта Уэлса «Первые люди на Луне» и Алексея Толстого «Аэлита».

Но можно ли долететь до Марса или Луны на самолете? Конечно же, нет. Их полет основан на физическом контакте с воздухом. А в открытом космосе, как известно каждому школьнику, находится безвоздушное пространство.

Поэтому, чтобы обеспечить полеты людей к дальним планетам необходимо разработать принципиально новый вид космического челнока, который сможет транспортировать людей и все необходимые запасы, выполнять взлет, посадку и свободно маневрировать в межзвездном пространстве. Поэтому при их разработке надо не только использовать новые физические принципы конструирования, но и использовать уникальные материалы.

То жарко, то холодно

Любой летательный аппарат, стартующий с Земли, вначале проходит сквозь плотные атмосферные слои, от трения с которыми его обшивка разогревается до нескольких сот градусов Цельсия. А затем он пилотирует в холодном космосе, где температура на минуточку составляет -270°С. При этом, та часть корабля, которая попадает в зону солнечного излучения нагревается, в то время, как противоположная, остается холодной.

Такая контрастность является ключевой проблемой, над которой бьются космические институты всего мира. Как только человечество найдет относительно недорогие материалы, способные выдерживать экстравысокие и криогенные температуры, не утрачивая своей прочности и пластичности, это станет мощным броском в развитии нашей цивилизации и позволит разорвать путы земного притяжения и отправиться на ознакомление с безграничным простором Вселенной.

Лаборатория – планета Земля

Пока романтики заглядываются на звезды, прагматики усердно работают над созданием новых материалов, которые бы смогли помочь людям в создании наиболее эффективных межпланетных летательных аппаратов. Причем сфера разработки инновационных продуктов затрагивает не только основные конструктивные материалы, но и клеи, эластомеры и герметики, так как часто причиной поломки на тестируемых и действующих челноках стает термическая усталость паяных соединений или разгерметизация швов.

Кроме специальных требований к таким продуктам предъявляют и ряд общих. Это высокая технологичность, оптимальная стоимость и легковесность, так как каждый грамм увеличивает нагрузку на силовую установку.

Металлы

Для отсеков, где поддерживается стабильные и умеренные температуры применяются такие конструктивные материалы как алюминий, титан, бериллий. Несмотря на массовые научные разработки металлы были, есть и останутся на ближайшие время основными материалами для аэрокосмонавтики.

Металлические материалы, применяемые для создания летательных аппаратов

Индий

Применяется в термоэлектрических генераторах. Благодаря его использованию ученые смогли синтезировать термоэлектрический сплав, который поможет напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Такие материалы имеют сложную многокомпонентную структуру, за что и получили название скуттерудиты (skut-ta-Ru-dites).

NiTi-Hf

Коррозионно-стойкий сплав на основе никеля, титана и гафния. Является разработкой НАСА и широко используется для подшипников аэрокосмических приложений. Пока основное применение сплав находит в центрифугах орбитальных туалетов, ведь то, что в обыденной жизни норма, в условиях космоса – проблема. Возможно именно благодаря сплаву NiTi-Hf инженеры смогут значительно повысить комфорт на космических челноках.

Cu-MMC

Инновационный сплав на основе меди. Обладает самосмазывающими свойствами и стойко выдерживает температуры выше +200°С. Благодаря чему представляет отличную альтернативу для изготовления подшипников и пар трения скольжения и качения, функционирующих в глубоком вакууме.

B-Al

Композитный боралюминиевый сплав. Волокна бора выполняют функцию армирующего каркаса, а металл алюминия выступает связующим. Такая комбинация определила его прочность, легковесность, термостойкость и прецизионная стойкость к старению.

И снова стали

На ближайшую перспективу наиболее жаропрочными материалами по-прежнему остаются металл и стали, легированные хромом, никелем и молибденом. Они устойчивы к коррозии, вибрациям, радиационному и ультрафиолетовому излучению. Также стойко выдерживают критически высокие и низкие температуры и их перепады.

К тому же листовая сталь с высокой свариваемостью, пластичностью и технологичностью позволяет создать многослойные конструкции: сэндвичи с шестигранной ячейкой и стрингеры, которые являются наиболее эффективным решением для обшивки.

Композиты

Chain mail («кольчуга»)

В Лаборатории реактивного движения США была разработана космическая кольчуга, которую планируется использовать для защиты кораблей и астронавтов от радиационного излучения. Название и формула материала еще держатся в секрете, а разработчики сообщили, что с наружной части он покрыт серебряными пластинками, отражающими до 95% излучений разной природы, а внутренний слой эффективно поглощает тепловую энергию. К тому же, как и традиционная кольчуга, инновационный продукт, созданный и с применением 3D-печати, способен защитить от повреждений при столкновениях с космическим мусором и метеоритом.

Гранулированный диатомит

Обладает уникальными теплоизоляционными свойствами и легковесностью. Это делает диатомит отличной альтернативой при строительстве марсоходов и межзвездных летательных аппаратов.

Силиконы

Эти кремнийорганические вещества имеют очень разнообразные химические вариации с разными свойствами. Так, модификация RTV-S 691 используется для защиты элементов солнечных батарей: меандров, шин и зеркал.

Нано-технологии

Как показывают теоретические расчеты, наиболее эффективной внешней защитой для космических кораблей была бы не металлическая обшивка, а водородная или гелиевая оболочка. Но реализовать в жизни такое решение представляется практически невозможным, ну или почти невозможным. Ученые завершают опыты по созданию нано-трубок, которые по мнению специалистов и позволят создать облачную защиту космических челноков в будущем.

Стоит заметить, что если еще в конце прошлого века основная прерогатива по освоению космоса принадлежала США и РФ, то сегодня им составляют достойную конкуренцию Китай, Индия, Арабские эмираты и Иран. Эти страны стараются не афишировать используемые технологии. Вполне возможно, набор материалов, оптимально подходящий для космолетов, уже и существует или, как минимум, находится в стадии разработки, поэтому эпоха массового освоения космоса и межзвездного туризма может начнется гораздо раньше, чем мы все ожидаем.