Перспективні космічні композиційні матеріали

При розробці космічних засобів дослідження космічного простору потрібні нові матеріали, які повинні витримувати навантаження космічних польотів (високі температура і тиск, вібраційні навантаження на етапі виведення, низькі температури космічного простору, глибокий вакуум, радіаційний вплив, мікрочастки і т.д.) і мати достатньо низьку питому масу.

Метали - основні конструкційні матеріали для виробів ракетно-космічної техніки, їх маса в масі сухих виробів становить більше 90%. Тому вдосконалення тактико-технічних характеристик виробів багато в чому визначається властивостями застосовуваних сплавів. За останні роки розроблено і надалі отримає новий розвиток покоління алюмінієвих сплавів, легованих літієм і скандієм. Заміна традиційних сплавів новими дозволить знизити масу вузлів виробів космічних апаратів на 10 ... 30% залежно від типу конструкції. Технологія отримання деталей з нових гранульованих сплавів поряд з можливістю підвищення робочих температур до 850 ° С забезпечить зниження маси вузлів на 10 ... 30%.

Революційні рішення в створенні перспективних виробів космічної техніки XXI ст. може забезпечити новий клас конструкційних матеріалів - інтерметаліди (хімічні сполуки титан-алюміній, нікель-алюміній та ін.) Ці матеріали мають низьку щільність (3,7 ... 6,0 г / см ³⁾ і мають високу жароміцністю (до 1200 ° С), високими характеристиками корозійної стійкості, жаростійкості і зносостійкості.

Интерметаллидное сплави на основі титану можуть працювати до температури 850 ° С без захисних покриттів, сплави на основі нікелю - до температури +1500 ° С.

Використання інтерметалідів в рухових установках (ротор, статор, крильчатки, клапанна група, Неохолоджувані сопла і т.п.) дозволить підвищити питому тягу двигунів на 25 ... 30%, забезпечить зниження маси конструкцій до 40%.

Зниження ваги є першочерговим завданням проектування космічного літального апарату. Багато досягнення в галузі створення тонкостінних оболонок зобов'язані своїм походженням цій вимозі.

Типовими прикладами такої конструкції є рідинна ракета-носій «Атлас» і конструкція твердопаливної ракети. Для «Атласу» була створена спеціальна монококовая оболонка з наддувом. Ракета з двигуном на твердому паливі виходить за допомогою намотування на оправлення, що має форму твердопаливного заряду, скляної нитки та просочення намотаного шару спеціальної смолою, яка твердіє після вулканізації. При такій технології виходить відразу і несуча оболонка літального апарату, і ракетний двигун з соплом.

Були спроектовані повертаються космічні апарати з оболонкою конічної форми, яка покривалася шаром теплозахисного матеріалу, який випаровуючись при високих температурах охолоджує конструкцію.

Орбітальний космічний корабель «Шаттл» здатний літати в атмосфері Землі з гіперзвуковими швидкостями. Крила апарату мають многолонжеронний каркас; посилений монокок кабіни екіпажу, як і крила, виготовлений з алюмінієвого сплаву. Двері вантажного відсіку виконані з графито-епоксидного композиційного матеріалу. Теплозахист апарату забезпечують кілька тисяч легких керамічних плиток, якими покривають частини поверхні, схильні до впливу великих теплових потоків

Сучасна авіація і ракетно-космічна техніка, немислимі без полімерних композитів. Чим більше розвиваються ці галузі техніки, тим більше в них використовують композити, тим вище стає якість цих матеріалів. Багато хто з них легше і міцніше кращих металевих (алюмінієвих і титанових) сплавів, та їх застосування дозволяє знизити вагу вироби (ракети, космічного корабля) і, відповідно, скоротити витрату палива. Як реклами цих матеріалів в США був виготовлений літак «Вояджер», практично повністю виготовлений з армованих пластиків. Цей літак облетів навколо Землі без посадки.

Легкі судини і ємності, виготовлені з полімерних композиційних матеріалів і працюють під тиском, успішно застосовуються в ракетно-космічній техніці. Створені та експлуатуються паливні баки, кулі-балони, корпуси ракетних двигунів, акумулятори тиску, дихальні балони для льотчиків і космонавтів. Застосування органо-і скловолокна дозволить створювати довговічні балони тиску з високим коефіцієнтом вагової досконалості.

В даний час широко застосовуються в авіації й ракетобудуванні, вуглепластики, тобто полімери армовані вуглецевими волокнами.

Вуглецеві волокна і композити з них мають глибокий чорний колір і добре проводять електрику, що забезпечує спеціальні електрофізичні властивості (наприклад, для антен радіолокаторів), а також вимоги щодо теплостійкості і теплопровідності.

З вуглепластика роблять носові обтічники ракет, деталі швидкісних літаків, котрі піддаються максимальним аеродинамічним навантаженням, сопла ракетних двигунів та інше. Крім того, так як графіт - це тверда мастило, з вуглепластика роблять гальмівні колодки та диски для швидкісних літаків, космічних кораблів багаторазового дії «Шаттл» і гоночних автомобілів. Дзеркала антенних конструкцій з вуглепластика знайдуть широке застосування для вирішення завдань зв'язку через супутники. Їх застосування при масі до 15 кг забезпечить руйнівне навантаження 900 кгс при терміні служби не менше 20 років. Стільникові матеріали (тришарові) з вуглепластика в несучих елементах конструкцій у порівнянні з одношаровими (монолітними) при заданих умовах експлуатації і збільшенні навантажень при заданій масі елемента забезпечать : зниження маси елемента конструкції на 40 ... 50% і підвищення його жорсткості на 60 ... 80%; підвищення надійності на 20 ... 25% і збільшення гарантійного терміну на 60 ... 70%.

2. КОСМОС І НАНОТЕХНОЛОГІЇ

NASA і космічний центр Джонсона склали договір про спільний розвиток і застосування високих технологій і, зокрема, нанотехнологій для дослідження космічного простору. У планах NASA - спростити висновок космічних апаратів на орбіту за допомогою космічного ліфта на основі нано - трубок.

Нанотрубки характеризуються високою жорсткістю, і тому матеріали на їх основі можуть витіснити більшість сучасних аероконструкціонних матеріалів. Композити на основі нано - трубок дозволять зменшити вагу сучасних космічних апаратів майже вдвічі.

Дослідники з NASA і компанія LiftPort Inc. пропонують спростити виведення великих об'єктів на орбіту, використовуючи систему, названу ними «космічним ліфтом». Космічний ліфт - це стрічка, один кінець якої приєднаний до поверхні Землі, а інший перебуває на орбіті Землі в космосі (на висоті 100000 км). Гравітаційне тяжіння нижнього кінця стрічки компенсується силою, викликаної доцентровим прискоренням верхнього кінця і стрічка постійно знаходиться в натягнутому стані.

Змінюючи довжину стрічки, можна досягати різних орбіт. Космічна капсула, що містить корисний вантаж, буде пересуватися уздовж стрічки. На кінцевій станції, якщо це необхідно, капсула від'єднується від ліфта і виходить у відкритий космос.

Швидкість капсули при цьому буде становити 11 км / с. Цією швидкості буде достатньо для того, щоб почати подорож до Марса та інших планет. Таким чином, витрати на пуск капсули будуть тільки на початку її шляху на орбіту. Спуск здійснюватиметься в зворотному порядку - в кінці спуску капсулу буде прискорювати гравітаційне поле Землі.

Одношарові вуглецеві нанотрубки, винайдені в 1991 році, достатньо міцні для того, щоб служити основою стрічки ліфта. Вони міцніше сталі в 100 разів і, теоретично, в 3-5 разів міцніше, ніж необхідно для будівлі ліфта.

Стрічка, що складається з нано - трубок довжиною 1 м і шириною 5 см.обладает високою міцністю. Співвідношення міцність / вага матеріалу стрічки вище, ніж у сталі високої гарту.

Нанотканини - це композит, що складається з переплетеного «лісу» багатошарових нано - трубок довжиною 245 мкм і діаметром 10 нм. Зразок таких поплутаних нано - трубок довжиною всього 1 см може розвернутися у триметрову стрічку 18-мікронної товщини. Якщо ж використовувати пластиковий циліндр як валка, за яким простягається стрічка, то вихідний матеріал можна розкачати до довжини 10 м.

Нанотрубки також будуть досить корисні при розробці нано - електронних пристроїв, надпотужних комп'ютерів і пристроїв пам'яті.

3. САМОІЗЛЕЧІВАЮЩІЕСЯ КОСМІЧНІ МАТЕРІАЛИ

Експериментальний конструкційний матеріал для космічних апаратів дозволить вдвічі продовжити термін служби з їх корпусів. Тріщини і невеликі вибоїни будуть негайно затягуватися спеціальним швидко тверднуть складом, не викликаючи зниження міцності конструкції.

Корпуси космічних апаратів постійно піддаються впливу різких температурних контрастів. Сонячні промені можуть розігріти поверхню до 100 ° C і вище. Потрапивши в земну тінь, апарат починає стрімко остигати. Навіть просте обертання призводить до постійних коливань температури на поверхні апарату. Постійні перепади температур породжують напруження в матеріалі корпусу і ведуть до появи мікротріщин.

Інший механізм космічної ерозії - удари мікрометеоритів. Мова не йде про об'єкти, здатних заподіяти серйозні руйнування, - такі зустрічаються вкрай рідко. Однак космічні порошинки і частинки космічного сміття розміром менше міліметра досить численні і при швидкостях, десятки кілометрів на секунду викликають поступову деградацію конструкцій.

Новий матеріал, розроблений в Європейському космічному агентстві, має підвищену стійкість до факторів космічної ерозії завдяки здатності самовідновлюватися при ушкодженнях. При його створенні розробники надихалися здатністю живих тканин самостійно заліковувати невеликі рани за рахунок ефекту згортання крові.

Правда, згортання крові відбувається під дією повітря, так що для космічної техніки довелося використовувати дещо інший підхід. У композитний матеріал впровадили безліч найтонших скляних посудин зовнішнім діаметром 60 мікрон, а внутрішнім - 30. Судини заповнили двома рідинами, які, подібно компонентів епоксидної смоли, швидко тверднуть при змішуванні. При виникненні тріщини скляні судини руйнуються, і що містяться в них рідини заповнюють тріщину. Швидкість процесу така, що рідини не встигають випаруватися в умовах космічного вакууму. Тим самим відразу присікається подальше поширення тріщини - процес, що наносить набагато більший збиток, ніж сама тріщина.

Зразки нового матеріалу успішно пройшли перші випробування у вакуумній камері. Тим не менш, в прес-релізі ESA наголошується, що роботи знаходяться поки на самому початковому етапі. Мають відбутися ще численні випробування, в першу чергу на міцність і температурну стійкість. Так що практичного застосування самовідновлюються матеріалів у космічних апаратах можна чекати не раніше, ніж років через десять. Тим не менш вже зараз ESA вважає, що новий матеріал дозволить овдовіле продовжити час роботи тих космічних апаратів, для яких ерозія є обмежуючим фактором.

Рис. 1. Порожні скляні трубки, що пронизують композитний матеріал (вгорі ліворуч). При пошкодженні трубки руйнуються, і рідина розтікається, заповнюючи тріщину і тверднучи

4. «ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ» КОСМІЧНІ КОМПОЗИТИ

В останнє десятиліття поряд з постійним вдосконаленням існуючих матеріалів, що обумовлюють істотний технічний і економічний ефект завдяки унікальному поєднанню властивостей, намітилися тенденції створення нових матеріалів, здатних до активної взаємодії з зовнішніми факторами. Такі матеріали отримали назви «інтелектуальних». Вони здатні «відчувати» свій фізичний стан, зовнішні впливи і особливим чином реагувати на ці «відчуття», тобто здатні здійснювати самодіагностику по виникненню і розвитку дефекту, його усунення і стабілізувати свій стан у критичних зонах.

Внаслідок різноманіття властивостей «інтелектуальних» матеріалів вони можуть застосовуватися в різних елементах конструкцій ракетно-космічної техніки (корпуси, обтічники, відсіки, вузли тертя та ін.) Застосування таких матеріалів дозволить контролювати і прогнозувати стан різних конструкцій космічних апаратів в необхідний момент часу і навіть на важкодоступних ділянках, значно підвищити ресурс систем і їх надійність. З аналізу експертних оцінок фахівців випливає, що в найближчі 20 років 90% сучасних матеріалів, що використовуються в промисловості, будуть замінені новими, зокрема «інтелектуальними», що дозволить створити елементи конструкцій, які будуть визначати технічний прогрес XXI ст.

СПИСОК ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ДЖЕРЕЛ

1. Www.issep.rssi.ru Композиційні матеріали

2. Www.elementy.ru / news / Космічні композитні матеріали займуться самолікуванням

3. www.krugosvet.ru/ Надзвукові літаки, космічні літальні апарати, балістичні ракети