З чого ж зроблені космічні кораблі майбутнього далекого і не дуже

Днями пілотований космічний корабель Crew Dragon здійснив успішну посадку в водах Мексиканської затоки, і тим самим ознаменував черговий успіх Ілона Маска. Ця тест-місія була найбільш інтригуючою за всю історію космосу, адже можливо, саме вона стане першим кроком людства на шляху колонізації Марса.

А сталь виявилася крутіше

При створенні Crew Dragon використовувалися найрізноманітніші матеріали: від композитних на основі вуглеволокна й титану до легованої сталі 301 й залізонікелевого сплаву Inconel. Наступні серії міжпланетних човнів Starship, як спочатку анонсував Ілон Мак, повинні були мати корпус з карбону. Але вже на початку 2019 року публіка дізналася, що дизайн пілотованого корабля зазнав значних змін і його обшивка буде виготовлятися з нержавіючої сталі.

Таке конструктивне рішення Ілон Маск пояснив занадто великою вартістю вуглеволокна. В інтерв'ю журналу Popular Mechanics він уточнив, що цей матеріал дуже складний в обробці, особливо, коли треба його компілювати в 60 ... 120 шарів. Причому при роботі зі складними формами він дає до 35% відходів, а вартість його за кілограм становить 135 доларів. Зваживши всі за та проти в компанії було прийнято рішення замінити карбонове полотно на спеціальний нержавіючий сплав та, як показало тестування, такий підхід виправдав себе за всіма пунктами.

Легована сталь з дуже високим вмістом хрому й нікелю технологічна в застосуванні. Вона демонструє високу механічну міцність, пластичність та корозійну стійкість й, головне, стійко витримує вплив екстрависоких та кріогенних температур, що є ідеальною якістю для космічної галузі. При цьому вона ще добре зварюється й формується.

Наприклад, якщо вуглецеву сталь охолодити рідким азотом, вона розлітається на осколки подібно склу навіть від легкого точкового удару. Углеволокно, що становить основу карбону, здатне витримувати в повітряній атмосфері до +370°С, а композитні смоли, що роблять його монолітом, починають плавитися і при меншій температурі. У той час, як сталь 301 при температурах +1000°С знижує свою межу міцності в 8...10 разів, а при більш «комфортних» +600°С всього менш, ніж в 2 рази.

Поки Ілон Макс не розкриває всієї інтриги та не дає остаточного ствердної відповіді про те, який же саме сталевий легований сплав буде використовуватися для остаточного будівництва зорельота Starship. Поки він тільки зробив заяву, що сталь 301 компанія буде замінювати на іншу й, що можливо це буде сталь 304. Але, як то кажуть, час покаже. Адже все ж космос може піднести ще чимало сюрпризів.

Політ фантазії й фактичний політ

Ніщо так не розбурхує людську уяву, як освоєння далеких галактик і планет. Адже перш, ніж люди побачили реальну перспективу в освоєнні космосу з наукових робіт Ціолковского, світ вже давно зачитувався повістю Вольтера «Мікромегас» та романами Жюля Верна «З Землі на Місяць», Герберта Уеллса «Перші люди на Місяці» й Олексія Толстого «Аеліта».

Але чи можна долетіти до Марса чи Місяця на літаку? Звичайно ж ні. Їх політ заснований на фізичному контакті з повітрям. А у відкритому космосі, як відомо кожному школяру, знаходиться безповітряний простір.

Тому, щоб забезпечити польоти людей до далеких планет необхідно розробити принципово новий вид космічного човна, який зможе транспортувати людей та всі необхідні запаси, виконувати зліт, посадку й вільно маневрувати в міжзоряному просторі. Тому при їх розробці треба не тільки використовувати нові фізичні принципи конструювання, але й використовувати унікальні матеріали.

То жарко, то холодно

Будь-який літальний апарат, що стартує з Землі, спочатку проходить крізь щільні атмосферні шари, від тертя з якими його обшивка розігрівається до кількох сотень градусів Цельсія. А потім він пілотує в холодному космосі, де температура на хвилиночку становить -270°С. При цьому, та частина корабля, яка потрапляє в зону сонячного випромінювання нагрівається, в той час, як протилежна, залишається холодною.

Така контрастність є ключовою проблемою, над якою б'ються космічні інститути всього світу. Як тільки людство знайде відносно недорогі матеріали, здатні витримувати екстрависокі й кріогенні температури, не втрачаючи своєї міцності та пластичності, це стане потужним кидком в розвитку нашої цивілізації та дозволить розірвати пута земного тяжіння й відправитися на ознайомлення з безмежним простором Всесвіту.

Лабораторія – планета Земля

Поки романтики задивляються на зірки, прагматики старанно працюють над створенням нових матеріалів, які б змогли допомогти людям у створенні найбільш ефективних міжпланетних літальних апаратів. Причому сфера розробки інноваційних продуктів зачіпає не тільки основні конструктивні матеріали, але і клеї, еластомери та герметики, тому що часто причиною поломки на тестованих та діючих човниках стає термічна втома паяних з'єднань або розгерметизація швів.

Крім спеціальних вимог до таких продуктів пред'являють і ряд загальних. Це висока технологічність, оптимальна вартість і легковажність, бо кожен грам збільшує навантаження на силову установку.

Метали

Для відсіків, де підтримується стабільні й помірні температури застосовуються такі конструктивні матеріали як алюміній, титан, берилій. Не зважаючи на масові наукові розробки метали були, є та залишаться на найближчий час основними матеріалами для аерокосмонавтики.

Металеві матеріали, які застосовуються для створення літальних апаратів

Індій

Використовується в термоелектричних генераторах. Завдяки його використанню вчені змогли синтезувати термоелектричний сплав, який допоможе безпосередньо перетворювати теплову енергію в електричну. Такі матеріали мають складну багатокомпонентну структуру, за що й отримали назву скуттерудіти (skut-ta-Ru-dites).

NiTi-Hf

Корозійностійкий сплав на основі нікелю, титану і гафнію. Є розробкою НАСА і широко використовується для підшипників аерокосмічних додатків. Поки основне застосування сплав знаходить в центрифугах орбітальних туалетів, адже те, що в повсякденному житті норма, в умовах космосу – проблема. Можливо саме завдяки сплаву NiTi-Hf інженери зможуть значно підвищити комфорт на космічних човниках.

Cu-MMC

Інноваційний сплав на основі міді. Володіє самозмащувальними властивостями та стійко витримує температури вище +200°С. Завдяки чому представляє відмінну альтернативу для виготовлення підшипників та пар тертя ковзання й кочення, що функціонують в глибокому вакуумі.

B-Al

Композитний боралюмініевий сплав. Волокна бору виконують функцію армуючого каркаса, а метал алюмінію виступає зв'язуючим. Така комбінація визначила його міцність, легковажність, термостійкість та прецизійну стійкість до старіння.

І знову сталі

На найближчу перспективу найбільш жароміцними матеріалами як і раніше залишаються метал та сталі, леговані хромом, нікелем та молібденом. Вони стійкі до корозії, вібрацій, радіаційного та ультрафіолетового випромінювання. Також стійко витримують критично високі та низькі температури та їх перепади.

До того ж листова сталь з високою здатністю до зварювання, пластичністю та технологічністю дозволяє створити багатошарові конструкції: сендвічі з шестигранною чарункою й стрингери, які є найбільш ефективним рішенням для обшивки.

Композити

Chain mail («кольчуга»)

У Лабораторії реактивного руху США була розроблена космічна кольчуга, яку планується використовувати для захисту кораблів та астронавтів від радіаційного випромінювання. Назва і формула матеріалу ще тримаються в секреті, а розробники повідомили, що з зовнішньої частини він покритий срібними пластинками, що відображають до 95% випромінювань різної природи, а внутрішній шар ефективно поглинає теплову енергію. До того ж, як і традиційна кольчуга, інноваційний продукт, створений і з застосуванням 3D-друку, здатний захистити від пошкоджень при зіткненнях з космічним сміттям й метеоритом.

Гранульований діатоміт

Володіє унікальними теплоізоляційними властивостями й легковажністю. Це робить діатоміт чудовою альтернативою при будівництві марсоходів та міжзоряних літальних апаратів.

Силікони

Ці кремнійорганічні речовини мають дуже різноманітні хімічні варіації з різними властивостями. Так, модифікація RTV-S 691 використовується для захисту елементів сонячних батарей: меандрів, шин та дзеркал.

Нано-технології

Як показують теоретичні розрахунки, найбільш ефективним зовнішнім захистом для космічних кораблів була б не металева обшивка, а воднева або гелієва оболонка. Але реалізувати в життя таке рішення є неможливим, ну або майже неможливим. Вчені завершують досліди зі створення нано-трубок, саме які на думку фахівців дозволять створити оболонковий захист космічних човнів в майбутньому.

Варто зауважити, якщо ще в кінці минулого століття основна прерогатива з освоєння космосу належала США та РФ, то сьогодні їм складають гідну конкуренцію Китай, Індія, Арабські емірати та Іран. Ці країни намагаються не афішувати використовувані технології. Цілком можливо, що набір матеріалів, що оптимально підходять для космічних кораблів, вже існує або, як мінімум, знаходиться в стадії розробки, тому епоха масового освоєння космосу і міжзоряного туризму може початись набагато раніше, ніж ми всі очікуємо.