Ракетные металлы — все секреты

Из каких материалов строят космические корабли, «бороздящие бескрайние просторы Вселенной».

Первый старт ракеты Р-7 состоялся 15 мая 1957 года. А ведь этот корабль до сих пор носит всех наших космонавтов и 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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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 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.

Как делают космические ракеты на РКЦ «Прогресс» — репортаж с секретного завода в Самаре — 12 апреля 2019

Ракеты, сделанные здесь, отправляются на космодромы «Байконур» в Казахстане, «Плесецк» в Архангельской области, «Восточный» на Дальнем Востоке и «Куру» во Французской Гвиане в Южной Америке

Фото: Роман Данилкин / 63.ru

Поделиться

Здесь много запретов: нельзя снимать общие и панорамные планы, исследовательское оборудование. Ходить по цехам представителям СМИ можно только в сопровождении сотрудника службы безопасности и строго следовать его инструкциям. Обстановка секретности оправдана: на РКЦ «Прогресс» в Самаре производят космические ракеты. Из чего они состоят и на каком топливе работают, узнали наши коллеги с портала 63.ru.

Поделиться

В цехе главной сборки ракет-носителей тихо, но при этом работа кипит. В ангаре размером с футбольное поле свободного места мало. Повсюду расставлены десятки цилиндрических элементов.

Цех главной сборки ракет-носителей

Поделиться

Макет ракеты-носителя «Союз»

Поделиться

Сборочно-защитный блок, он же головной обтекатель, расположен в носовой части ракеты. Внутри него крепятся космические аппараты, которые доставляют на околоземную орбиту: например, спутник с фото- и видеоаппаратурой или космический корабль с экипажем на борту. В штатном режиме головной обтекатель раскрывается в космосе. Если ракета доставляет космонавтов к МКС, она оснащена системой аварийного спасения. В случае неисправности ракеты-носителя, например, возможной угрозы взрыва, система аварийного спасения отстреливает космический корабль с космонавтами на безопасное расстояние, и он плавно приземляется с помощью парашютов.

Сборочно-защитный блок или головной обтекатель. Носовая часть ракеты

Поделиться

Ракета-носитель включает в себя три ступени. Работая поочередно, они отрывают космический объект от земли и выносят его на орбиту. Все ступени ракеты в цехе главной сборки уже собраны. Некоторые из них лежат отдельно друг от друга и вскоре будут скреплены между собой.

Ступени ракеты-носителя

Поделиться

Первая ступень состоит из четырех конусообразных блоков. По форме они напоминают морковки. С их помощью ракета отрывается от земли на несколько десятков километров, и через 118 секунд эти элементы отстыковываются.

Поделиться

Первая ступень ракеты-носителя «Союз»

Поделиться

Затем в дело вступает вторая ступень — центральный, самый длинный блок космического объекта. Он помогает преодолеть земное притяжение. И через 287 секунд от начала полета он также отделяется от ракеты-носителя.

Вторая ступень ракеты-носителя «Союз»

Поделиться

Третья ступень вступает в действие уже в невесомости. Максимальное время работы также около 240 секунд. И затем космический корабль, расположенный в носовой части ракеты, отстыковывается и начинает свой полет в открытом космосе. 

Третья ступень ракеты-носителя «Союз»

Поделиться

Абсолютно все ступени имеют отдельные двигатели, систему управления, баки с горючим (керосин) и бак с окислителем (жидкий кислород).

Одна из основных задач цеха сборки — соединить все элементы ракеты-носителя, словно конструктор «Лего», и проверить его работоспособность. Цельный космический объект, длиной 72 метра, помещают на стенд контрольно-испытательной станции. С помощью специального оборудования специалисты цеха проверяют герметичность космического объекта, работоспособность электроники. Завершающий штрих — придание ракете эстетичного вида. Для этого элементы космического объекта помещают в малярную камеру для покраски и нанесения маркировки.

Из цеха сборки ракета-носитель и головной обтекатель в гермочехлах уезжают на поезде. Они отправляются на космодромы «Байконур» в Казахстане, «Плесецк» в Архангельской области, «Восточный» на Дальнем Востоке и «Куру» во Французской Гвиане в Южной Америке.

Вагон для транспортировки отдельных частей ракеты-носителя

Поделиться

Ракета-носитель в гермочехле

Поделиться

Общее время сборки и проверки работоспособности ракеты-носителя в цехе — 20 дней. Впрочем, этой финальной части производства предшествуют месяцы, вплоть до года, разработок. Космический центр «Прогресс» — гигантская производственная база, где ракета создается с нуля.

Часть головного обтекателя ракеты-носителя

Поделиться

Кропотливая детальная работа начинается в цехе механической обработки. Здесь очень шумно за счет работающих станков.

Цех механической обработки

Поделиться

В цехе токари-фрезеровщики превращают грубые куски металла в ювелирно обработанные элементы ракеты, как крупные, так и размером с кулак. Здесь вырезают элементы корпуса ракеты, вытачивают клапаны и штуцеры — соединительные элементы трубопроводов и сотни других деталей.

Поделиться

Поделиться

В своей работе мастера по металлу используют современное оборудование с программным обеспечением.

Поделиться

Цельные листы метала прямоугольной формы, попадают в агрегатно-сварочный цех. Здесь из них производят все 12 баков, которые составляют 1 целую ракету.

Агрегатно-сварочный цех

Поделиться

Баки ракеты-носителя

Поделиться

Баки варят из загнутых в цилиндрическую форму листовых заготовок из специального сплава. Затем готовый элемент ракеты испытывают на прочность и герметичность с помощью специального раствора и гелиевой смеси, которыми заполняют баки.

Камеры, где испытывают на прочность и герметичность ракетные баки

Поделиться

Как собирают так называемые головные обтекатели, нам показали в еще одном соседнем агрегатно-клепальном цехе.

Агрегатно-клепальный цех

Поделиться

Существуют различные виды головных обтекателей, для каждой полезной нагрузки свой. Особо отличаются головные обтекатели для ракет, которые доставляют пилотируемые транспортные корабли к МКС. В этом случае на носовую часть аппарата устанавливается система аварийного спасения.

Головной обтекатель изнутри для доставки транспортного пилотируемого корабля на МКС

Поделиться

Головной обтекатель для доставки грузов на орбиту

Поделиться

Трудно поверить, но история флагмана отечественного ракетостроения началась в 1894 году с фабрики «Дукс» по производству велосипедов.

Поделиться

Затем московский завод начал производить дирижабли, аэропланы, истребители. После эвакуации предприятия в 1941 году в Куйбышев основной сферой деятельности завода стало производство самолетов Ил-2 и Ил-10. Каждая шестая воздушная машина во время Великой Отечественной войны была изготовлена в цехах завода. Было время, когда заводчане выпускали по 15 самолетов в сутки. А уже 17 февраля 1959 года с «Байконура» успешно стартовала первая из куйбышевских ракет. 

Поделиться

Детали ракет

Полет на орбиту