Ракета из чего состоит: РАКЕТА • Большая российская энциклопедия |

Содержание

Одноступенчатая многоразовая ракета «Зея»

Проект разработан по просьбе венчурного инвестора из ЕС.

Стоимость выведения на орбиту космических аппаратов пока очень велика. Это объясняется высокой стоимостью ракетных двигателей, дорогой системой управления, дорогими материалами, используемыми в напряженной конструкции ракет и их двигателей, сложной и, как правило, дорогостоящей технологией их изготовления, подготовки к пуску и, главным образом, их одноразовым использованием.

Доля стоимости носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает разной. Если носитель серийный, а аппарат уникальный, то около 10%. Если наоборот — может достигать 40% и более. Это очень дорого, и поэтому возникла мысль, создать ракету-носитель, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома, совершала полет на орбиту и, оставив там спутник или космический корабль, возвращалась на космодром.

Первой попыткой реализации такой идеи было создание системы «Спейс шаттл». На основании анализа недостатков одноразовых носителей и системы «Спейс шаттл», который сделан Константином Феоктистовым (К. Феоктистов. Траектория жизни. Москва: Вагриус, 2000. ISBN 5-264-00383-1. Глава 8. Ракета как самолет), складывается представление о качествах, которыми должна обладать хорошая ракета-носитель, обеспечивающая доставку на орбиту полезного груза с минимальными затратами и с максимальной надежностью. Она должна быть системой многоразового использования, способной совершать 100–1000 полетов. Многоразовость нужна как для снижения затрат на каждый полет (расходы на разработку и изготовление распределяются на количество полетов), так и для повышения надежности выведения полезного груза на орбиту: каждая поездка на автомобиле и полет самолета подтверждают правильность его конструкции и качественное изготовление. Следовательно, можно снижать затраты на страхование полезного груза и страхование самой ракеты. По-настоящему надежными и недорогими в эксплуатации машинами могут быть только многоразовые — такие, как паровоз, автомобиль, самолет.

Ракета должна быть одноступенчатой. Это требование, как и многоразовость, связано и с минимизацией расходов, и с обеспечением надежности. Действительно, если ракета многоступенчатая, то даже если все ее ступени благополучно возвращаются на Землю, то перед каждым стартом их надо собирать в единое целое, а проверить правильность сборки и функционирования процессов разделения ступеней после сборки невозможно, так как при каждой проверке собранная машина должна рассыпаться. Не испытываемые, не проверяемые на функционирование после сборки, соединения становятся как бы одноразовыми. И пакет, соединенный узлами с пониженной надежностью, тоже становится в какой-то степени одноразовым. Если ракета многоступенчатая, то расходы на ее эксплуатацию больше, чем на эксплуатацию одноступенчатой машины по следующим причинам:

Для одноступенчатой машины не требуются расходы на сборку.

Не нужно выделять на поверхности Земли районы приземления для посадки первых ступеней, а следовательно, не нужно платить за их аренду, за то, что эти районы не используются в хозяйстве.

Нет необходимости платить за транспортировку первых ступеней к месту старта.

Заправка многоступенчатой ракеты требует более сложной технологии, большего времени. Сборка пакета и доставка ступеней к месту старта не поддаются простейшей автоматизации и, следовательно, требуют участия большего количества специалистов при подготовке такой ракеты к очередному полету.

Ракета должна использовать в качестве топлива водород и кислород, в результате горения которых на выходе из двигателя образуются экологически чистые продукты сгорания при высоком удельном импульсе. Экологическая чистота важна не только для работ, проводимых на старте, при заправке, в случае аварии, но и в не меньшей степени во избежание вредного воздействия продуктов сгорания на озоновый слой атмосферы.

Среди самых проработанных проектов одноступенчатых космических аппаратов за рубежом стоит выделить Skylon, DC-X, Lockheed Martin X-33 и Roton. Если Skylon и X-33 — это крылатые аппараты, то DC-X и Roton это ракеты вертикального взлета и вертикальной посадки. К тому же, оба они дошли до создания тестовых образцов. Если у Roton был только атмосферный прототип для отработки посадки на авторотации, то прототип DC-X совершил несколько полетов на высоту несколько километров на жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) на жидких кислороде и водороде.

Техническое описание ракеты «Зея»

Для радикального снижения стоимости выведения грузов в космос «Лин Индастриал» предлагает создать ракету-носитель (РН) «Зея». Это одноступенчатая, многоразовая транспортная система с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой. В ней используются экологически безопасные и высокоэффективные компоненты топлива: окислитель — жидкий кислород, горючее — жидкий водород.

РН состоит из бака окислителя (над которым размещается теплозащитный экран для входа в атмосферу и ротор системы мягкой посадки), отсека полезной нагрузки, приборного отсека, бака горючего, хвостового отсека с двигательной установкой и посадочного устройства. Баки горючего и окислителя — сегментально-конические, несущие, композитные. Наддув бака горючего осуществляется за счет газификации жидкого водорода, а бака окислителя — за счет сжатого гелия из баллонов высокого давления. Маршевая двигательная установка состоит из 36 расположенных по окружности двигателей и сопла внешнего расширения в виде центрального тела. Управление во время работы маршевого двигателя по тангажу и рысканию осуществляется с помощью дросселирования диаметрально расположенных двигателей, по крену — с помощью восьми двигателей на газообразных компонентах топлива, расположенных под отсеком полезной нагрузки. Для управления на участке орбитального полета используются двигатели на газообразных компонентах топлива.

Схема полета «Зеи» следующая. После выхода на опорную околоземную орбиту, ракета, если это необходимо, производит орбитальные маневры для выхода на целевую орбиту, после чего, открыв отсек полезной нагрузки (массой до 200 кг), отделяет ее.

В течение одного витка по околоземной орбите с момента старта, выдав тормозной импульс, «Зея» совершает посадку в районе космодрома пуска. Высокая точность посадки обеспечивается за счет использования аэродинамического качества, создаваемого формой ракеты, для бокового маневра и маневра по дальности. Мягкая посадка осуществляется за счет снижения с использованием принципа авторотации и восьми посадочных амортизаторов.

Экономика

Ниже приведена оценка сроков и стоимости работы до первого пуска:

Аванпроект: 2 месяца — €2 млн

Создание двигательной установки, разработка композитных баков и системы управления: 12 месяцев — €100 млн

Создание стендовой базы, постройка прототипов, подготовка и модернизация производства, эскизный проект: 12 месяцев — €70 млн

Отработка узлов и систем, испытания прототипа, огневые испытания летного изделия, технический проект: 12 месяцев — €143 млн

Итого: 3,2 года, €315 млн

По нашим оценкам, себестоимость одного пуска составит €0,15 млн, а стоимость межполетного обслуживания и накладных расходов — около €0,1 млн за межпусковой период. Если установить цену запуска в €35 тыс. за 1 кг (при себестоимости €1250/кг), что близко к цене запуска на ракете «Днепр» для иностранных заказчиков, то весь пуск (200 кг полезной нагрузки) обойдется заказчику в €7 млн. Таким образом, проект окупится за 47 пусков.

Вариант «Зеи» с двигателем на трех компонентах топлива

Еще один способ увеличить эффективность одноступенчатой РН — переход на ЖРД с тремя компонентами топлива.

С начала 1970-х годов в СССР и США изучалась концепция трехкомпонентных двигателей, которые сочетали бы в себе высокое значение удельного импульса при использовании водорода в качестве горючего, и более высокую усредненную плотность топлива (а, следовательно, меньший объем и вес топливных баков), характерную для углеводородного горючего. При запуске такой двигатель работал бы на кислороде и керосине, а на больших высотах переключался на использование жидких кислорода и водорода. Такой подход, возможно, позволит создать одноступенчатый космический носитель.

В нашей стране были разработаны трехкомпонентные двигатели РД-701, РД-704 и РД0750, однако они не были доведены до стадии создания опытных образцов. НПО «Молния» в 1980-х разработала Многоцелевую авиационно-космическую систему (МАКС) на ЖРД РД-701 с топливом кислород + керосин + водород. Расчеты и конструирование трехкомпонентных ЖРД велись и в Америке (см., например, Dual-Fuel Propulsion: Why it Works, Possible Engines, and Results of Vehicle Studies, авторов James A. Martin и Alan W. Wilhite, опубликованную в мае 1979 года в American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) Paper No. 79-0878).

Мы полагаем, что для трехкомпонентной «Зеи» вместо традиционно предлагаемого для подобных ЖРД керосина следует использовать жидкий метан. На это есть множество причин:

«Зея» в качестве окислителя использует жидкий кислород, кипящий при температуре -183 градуса Цельсия, то есть в конструкции ракеты и заправочного комплекса уже используется криогенное оборудование, а значит не будет принципиальных сложностей в замене бака керосина на бак метана при -162 градусах Цельсия.

Метан по эффективности превосходит керосин. Удельный импульс (УИ, мера эффективности ЖРД — отношение создаваемого двигателем импульса к расходу топлива) топливной пары метан + жидкий кислород превосходит УИ пары керосин + жидкий кислород примерно на 100 м/с.

Метан дешевле керосина.

В отличие от керосиновых в двигателях на метане почти отсутствует коксование, то есть, проще говоря, образование трудно удаляемого нагара. А, значит, такие двигатели удобнее использовать в многоразовых системах.

При необходимости метан можно заменить схожим по характеристикам сжиженным природным газом (СПГ). СПГ почти полностью состоит из метана, обладает схожими физико-химическими характеристиками и немного проигрывает чистому метану по эффективности. При этом СПГ в 1,5–2 раза дешевле керосина и намного доступнее. Дело в том, что Россия покрыта обширной сетью газопроводов с природным газом. Достаточно отвести ветку к космодрому и построить небольшой комплекс по сжижению газа. Также в России построен завод по производству СПГ на Сахалине и два малотоннажных комплекса по сжижению в Санкт-Петербурге. Планируется постройка еще пяти заводов в разных точках РФ. При этом для производства ракетного керосина нужны особые сорта нефти, добытые на строго определенных месторождениях, запасы которых в России истощаются.

Схема работы трехкомпонентной РН следующая. Вначале сжигается метан — топливо с высокой плотностью, но сравнительно небольшим удельным импульсом в пустоте. Затем сжигается водород — топливо с низкой плотностью и максимально высоким удельным импульсом. Оба вида топлива сжигаются в единой двигательной установке. Чем выше доля топлива первого типа, тем меньше масса конструкции, но тем больше масса топлива. Соответственно, чем выше доля топлива второго вида, тем меньше потребный запас топлива, но тем больше масса конструкции. Следовательно, можно найти оптимальное соотношение между массами жидких метана и водорода.

Мы провели соответствующие расчеты, приняв коэффициент топливных отсеков для водорода равным 0,1, а для метана — 0,05. Коэффициент топливных отсеков — это отношение конечной массы топливного отсека к массе располагаемого запаса топлива. В конечную массу топливного отсека включаются массы гарантийного запаса топлива, невырабатываемые остатки компонентов ракетного топлива и масса газов наддува.

Расчеты показали, что трехкомпонентная «Зея» будет выводить на низкую околоземную орбиту 200 кг полезной нагрузки при массе своей конструкции в 2,1 т и стартовой массе 19,2 т. Двухкомпонентная «Зея» на жидком водороде сильно проигрывает: масса конструкции — 4,8 т, а стартовая масса — 37,8 т.

Экологический Портал Республики Алтай :: Ракетно-космическая деятельность

Ракетно-космическая отрасль является одной из самых сложных отраслей нашей экономики и понимание всей ее специфики является ключом к решению многих, в том числе и экологических проблем.

В настоящий момент Россия располагает тремя космодромами, из них только два находятся на нашей территории, это космодромы Восточный и Плесецк.

Байконур — космодром находится в Казахстане, состоит из 15 стартовых комплексов для запусков ракет-носителей и четырёх пусковых установок для испытаний межконтинентальных баллистических ракет. Основные используемые типы ракеты-носителя – «Протон», «Союз». Это единственный российский космодром, позволяющий осуществлять пилотируемые программы, другие космодромы для стартов аппаратов с космонавтами на борту не приспособлены. Сейчас комплекс арендуется Россией у Казахстана по договору на период до 2050 года.

Восточный – новый российский космодром, который находится на Дальнем Востоке в Амурской области. Располагает стартовым комплексом для ракет «Союз» лёгкого и среднего классов. Начато строительство стартового комплекса с одной пусковой установкой, позволяющей проводить до 10 пусков в год РН «Ангара».

Плесецк — российский космодром, находящийся в Архангельской области, обеспечивающий часть российских космических программ, связанных с оборонными, а также прикладными и научными пусками. Наиболее использующийся тип ракеты-носителя – «Союз».

Кроме того российская компания S7 Group владеет плавучим космодромом «Морской старт», который располагался в акватории Тихого океана. Сейчас космодром находится в Приморье и судьба его находится в подвешенном состоянии.

Запуски космических аппаратов сопровождаются падением на землю отделяющихся частей ракет-носителей (РН), это отработавшие ступени, головные обтекатели, соединительные отсеки, обеспечивающих их выведение на орбиты. На территории, где приземляются фрагменты РН предусмотрены районы падения (РП).

Районы падения расположены на территории 9-ти субъектов Российской Федерации: в Алтайском и Пермском краях, Свердловской, Новосибирской, Омской, Томской областях, Республиках Алтай, Тыва, Хакасия. Всего на территории России находятся 18 районов падения ОЧ РН.

Использование районов падения осуществляется в соответствии с постановлениями Правительства Российской Федерации от 31 мая1995 г. № 536 «О порядке и условиях эпизодического использования районов падения отделяющихся частей ракет» и от 24 марта1998 г. № 350 «О внесении изменений и дополнений в постановление Правительства Российской Федерации от 31 мая1995 г. № 536» и на условиях договоров, заключаемых Федеральным космическим агентством с органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации, на территории которых находятся эти районы. Условиями договоров предусмотрено при каждом пуске РН проведение в районах падения мероприятий по обеспечению безопасности людей, экологическому мониторингу, охране окружающей природной среды. Выполнение условий заключенных договоров и эксплуатация районов падения при проведении запусков космических аппаратов с космодрома Байконур поручено ФГУП «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» (ФГУП «ЦЭНКИ), который в свою очередь взаимодействует с МЧС, местными природоохранными органами и другими организациями по согласованию с Правительствами субъектов РФ. В Республике Алтай и Алтайском крае уполномоченной от ЦЕНКИ организацией, занимающейся проблемами РКД, является ИВЭП СО РАН.

Для того, чтобы доставить космический аппарат (КА), в зависимости от орбиты используются различные трассы. Трассой пуска принято называть угол между начальной траекторией полета ракеты и экватором. Каждая трасса имеет свою особенность. Так, на Байконуре нет возможности запускать ракеты с наклонением меньше 51 градуса. Запуски с меньшим наклонением начинают проходить через территорию Китая и потому невозможны в принципе. Именно поэтому и Международная космическая станция имеет наклонение в 51 градус. Кроме того, районы падения, располагающееся вдоль трассы, должны быть не населены, там запрещена или серьезно ограничена всякая хозяйственная деятельность. Вследствие чего трасса 51,6 и районы падения на территории Республики Алтай используются чаще всего.

Трассы пусков ракет-носителей с космодрома Байконур

Для первых ступеней ракет-носителей, запускаемых с космодрома Байконур предусмотрены районы падения, находящиеся в Казахстане. Для вторых ступеней РН в западной части Алтае-Саянского региона расположены шесть районов падения. Четыре из них, входящие в зону Ю-30 (№№ 306, 307, 309, 310) расположены в крайней западной части региона, на границе Алтайского края и Восточно-Казахстанской области. Входящие в зону Ю-32 районы падения №№ 326, 327 расположены в восточной части Республики Алтай, в непосредственной близости от оз. Телецкое.

Схема расположения районов падения на территории Алтае-Саянского региона

В настоящее время на основании Договора от 27 октября 2000 между Российским космическим агентством и Правительством Республики Алтай о порядке и условиях эпизодического использования районов падения отделяющихся частей ракет и ракет-носителей на территории Республики Алтай используются четыре района падения. РП №309 используется с середины 60-х годов для приземления вторых ступеней РН «Союз», районы 310, 326, 327 – с начала 70-х годов для приземления фрагментов вторых ступеней РН «Протон».

№ РП

Координаты центра

эллипса

Размеры осей

эллипса,

км

Азимут

большой оси,

градусы

Площадь РП,

кв.  км

Примечание

 50° 56´00´´

83° 35´00´´

80х40

Общая площадь земельных участков,

используемых под районы падения

 составляет 5351 км2

 50° 55´30´´

83° 37´40´´

80х40

 51° 19´36´´

86° 36´00´´

110х60

 51° 17´30´´

87° 05´00´´

70х40

В последнее время в основном используются только два района падения, это РП №309 (для доставки космонавтов и грузов на МКС) и РП №327 (коммерческие запуски).

Схема расположения района падения ОЧ РН № 327

Схема расположения районов падения ОЧ РН № 309, 310

Основными типами ракет-носителей, фрагменты которых попадают на территорию республики, являются РН «Протон» и РН «Союз» различных модификаций.

Краткая характеристика вторых ступеней РН «Протон» и РН «Союз»

Дату и время о предстоящих пусках можно узнать на сайтах Роскосмоса и новости космонавтики.

Сам запуск происходит следующим образом. В официально заявленное время с космодрома Байконур стартует ракетоноситель с грузом (космонавты, транспортный грузовой корабль, спутник). Через две минуты происходит отделение первой ступени, которая приземляется в Казахстане. Над территорией Республики Алтай через 8-9 минут после старта на высоте 150 км происходит отделение второй ступени. Сама ракета появляется на юго-западе и уходит на северо-восток. Визуально наблюдается конусообразное облачко в виде кометы, со звездочкой в центре, которое оставляет за собой длинный шлейф.

Затем, на высоте 25-50 кмпроисходит разрушение второй ступени.

На фотографии слева помимо падения второй ступени РН «Протон-М наблюдается падение створок головного обтекателя, на фото справа мы видим конечную стадию разрушения фрагментов второй ступени

Акустические эффекты от падения этих фрагментов ОЧ РН проявляются чуть позже в виде сильных взрывов в интервале 2-3 минут.

Упавшие фрагменты в основном приземляются в предназначенный для этого район падения, иногда из-за аварий их вылет происходит за пределы. Основной проблемой здесь является то, что фрагменты находятся в труднодоступной горной местности, недоступной для автотранспорта, поэтому выявление, сбор и утилизация фрагментов ОЧ РН проводится с использованием авиатранспорта (вертолета). Функция вывоза найденных фрагментов возложена на СибНИА им. Чаплыгина.

В верхнем ряду — фрагменты головного обтекателя; в центре — бак окислителя и его фрагмент, а также фрагмент бака горючего; в нижнем ряду фрагменты двигательной установки

Основные экологические проблемы связаны с выбросом в атмосферу гарантийных остатков токсичных компонентов ракетных топлив при отделении и разрушении вторых ступеней ракет на высоте более 100 км. Основным фактором химического загрязнения на окружающую природную среду региона являются искусственные аэрозольные облака, имеющие повышенную плотность и состоящие из смеси атмосферных газов, паров воды, компонентов ракетного топлива, продуктов их сгорания и деструкции, частиц металлов, сплавов и пр. В момент выброса основной массы остатков топлива образуется белоснежное плотное облако грушевидной или изометричной формы, которое затем рассеивается.

Институтом водных и экологических проблем СО РАН в соответствии с программой эколого-гигиенического мониторинга в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей №№ 309, 310, 326, 327 и на прилегающей к ним территории Республики Алтай осуществляется до- и послепусковое экологическое сопровождение пусков ракет-носителей «Союз», «Протон» при участии специалистов Управления Роспотребнадзора по Республике Алтай, а также КУ РА «Управление по обеспечению мероприятий в области гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и пожарной безопасности в Республике Алтай» в задачи которого также входит своевременное информирование о запусках жителей населенных пунктов, находящихся рядом с районами падения.

Отбор проб природных сред осуществляется на мониторинговых площадках, расположенных в районах падения ОЧ РН и на территории прилегающих населенных пунктов. Перемещение осуществляется в автомобильном варианте, а также с использованием вертолетов СибНИА им. Чаплыгина.

Анализ проб осуществляется в химико-аналитическом центре ИВЭП СО РАН, а также в ООО НТЦ БИАСеп. По результатам анализов за 2019 год компоненты ракетного топлива в объектах окружающей среды в районах падения и на прилегающей территории НЕ ВЫЯВЛЕНЫ.

Управлением Роспотребнадзора по Республике Алтай ведется ведомственный экологический мониторинг, который включает в себя контроль за содержанием в природных средах загрязняющих веществ и оценку состояния окружающей среды. В 2017 г. между Управлением Роспотребнадзора по Республике Алтай и ФГУП ЦЭНКИ достигнута договореность об участии специалистов санитарной службы региона в совместных облетах территории районов падения ОЧ РН после запусков с космодрома «Байконур» РН «Протон-М». Пробы анализируются на компоненты ракетного топлива на базе ИЛЦ ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Алтай», а также ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» г. Пермь.

Похожие материалы Экологическая безопасность ракетно-космической деятельности СКАЧАТЬ

Как делается ракета?

••• www.chem.hawaii.edu

Обновлено 24 апреля 2017 г.

Автор: Дэвид Скотт

Основы ракеты

Ракета — это устройство, которое направляет взрывную силу для создания тяги. Как правило, ракета состоит из топлива или ракетного топлива, хранящегося в безопасном контейнере, обычно в цилиндре. Цилиндр должен быть открыт только в одном направлении, чтобы выпустить взрывную силу топлива при его воспламенении. Современные ракеты имеют сопло, которое направляет взрыв ракеты в одну сторону. Проще всего думать о ракетах как о просто управляемых взрывах. Поскольку взрывная сила хочет покинуть ракету, она выходит из сопла и толкает всю ракету в направлении, противоположном ее движению.

Как устроена ракета

Ракеты сейчас настолько разнообразны, что классифицировать их конструкцию по одному методу невозможно. Однако все они имеют схожие конструктивные особенности. Большинство ракет сделаны машинами. Это исключает возможность ошибки. Поскольку ракета должна управлять очень мощным взрывом, она должна быть в состоянии выдержать силу этого взрыва, а также направить мощность взрыва только в одном направлении. Это означает, что ракета должна быть изготовлена из материала, подходящего для высвобождаемой взрывной силы. Например, очень маленькие ракеты, которые используются в малогабаритных ракетных моделях, имеют только небольшой пластиковый или картонный корпус, чтобы сдержать их взрыв. По мере увеличения размера ракет используются более прочные материалы, такие как алюминий и сталь. Все ракеты также должны иметь сопло, которое можно прикрутить, приклеить или иным образом прикрепить к цилиндру. Насадка обычно создается из очень прочного материала и может быть даже прочнее самого цилиндра. Это связано с тем, что сопло очень маленькое и на него приходится основная сила взрывной силы. В зависимости от назначения ракеты сопло может быть расширено или уменьшено в размерах. Уменьшение диаметра сопла приведет к тому, что порох будет гореть с меньшей силой, но с большей продолжительностью. И наоборот, более широкое сопло вызовет более короткое горение с большей силой.

Топливо

Ракетное топливо может быть либо в жидкой, либо, чаще, в твердой форме. Твердое топливо включает смеси, такие как порох, в то время как жидкое топливо может быть таким простым, как бензин. С твердыми смесями относительно просто обращаться, и они просто размещаются внутри ракетного цилиндра при его изготовлении. Жидкие ракетные топлива, с другой стороны, немного сложнее в использовании. Все жидкостные ракеты нуждаются в жидком топливе, а также в окислителе для облегчения воспламенения. Жидкостные ракеты совсем не похожи на твердотопливные, поскольку требуют очень сложных труб и герметизации. Как видно из рисунка ракеты на жидком топливе, они имеют сложную конструкцию и обычно используют систему насосов и клапанов для контролируемого смешивания жидкого топлива и окислителя. Когда они смешиваются и воспламеняются, ракета активна и создает тягу. Преимущество ракеты на жидком топливе состоит в том, что тяга регулируется количеством топлива, которое может воспламениться за раз.

Статьи по теме

Ссылки

Материалы, используемые при строительстве ракет

Об авторе

Дэвид Скотт почти 20 лет работал пожарным в Технической спасательной команде пожарной службы Сиэтла. Он пишет в основном с 2005 года, но в 1988 году написал книгу «Путеводитель по району рейнджеров Уайт-Ривер». Помимо работы в Demand Studios, Скотт большую часть своего времени уделяет написанию стихов и романов.

Фотографии

www.chem.hawaii.edu

Сталь и другие металлы в ракетостроении

«Зенит, наверное, лучший после нашего», — говорил об украинской ракете-носителе летом 2017 года один из величайших предпринимателей современности Илон Маск.

Американский бизнесмен известен не только электромобилями Tesla, но и тем, что основал компанию SpaceX, которая занимается космическими программами, проектирует ракеты-носители и планирует высадить первого человека на Марс с 2002 года. Зениты производятся на Южмаше. завод в Днепре, который, помимо прочего, сталеплавильный город. Современные ракеты строятся из различных материалов, и сталь является одним из материалов, используемых в космосе.

Первые разработки космической техники

Зарождение современной аэрокосмической промышленности восходит к концу 1930-х годов. Немецкие ученые и бизнесмены одними из первых разработали и изготовили жидкостные ракеты. Противники Германии признали потенциал этой военной техники, способной поражать цели на расстоянии 200-250 километров. Они поняли, что изобретение немецких ученых может послужить еще большему делу. В середине 1940-х годов СССР, США и Великобритания соревновались за то, чтобы заполучить один из секретов нацистской Германии: планы и специалистов, которые занимались проектированием ракеты Фау-2. Немецкий дизайнер Вернер фон Браун решил переехать в США. Он перебрался на другой континент вместе со всеми оставшимися у него образцами ракет, которые стали базой американской космической программы. Советскому Союзу не так повезло. В стране остались лишь отдельные части и элементы конструкций. Под руководством Сергея Королева, родившегося в Житомире, советские конструкторы кропотливо перестроили Фау-2 и усовершенствовали его, создав собственную ракету Р-1. Первый запуск ракеты состоялся 19 октября.48.

Советская ракета заметно отличалась от немецкого прототипа конструктивными возможностями, условиями работы и доступностью материалов. Немецкая ракета была построена в разгар войны. Им даже пришлось использовать спирт в качестве топлива, так как страна воевала на два фронта и нефти не хватало.

В результате ракета Р-1 содержала несколько иной набор материалов, включая металлы. Около 87 марок и типов стали и 59для Фау-2 использовались цветные металлы, против 32 и 21 использованных соответственно в советской ракете. Топливные баки и баки окислителя, например, изготавливались из алюминиево-магниевого сплава. Корпус ракеты, содержащий все ее основные компоненты, был построен из стальных листов.

Примечательно, что именно Южмаш взял на себя производство преемников ракеты Фау-2. Это были первые попытки использования стали в космической технике.

Какие металлы используются в ракетах

Различные металлы составляют основу современных космических аппаратов. Алюминий, авиационный металл, перекочевал из авиации в ракетостроение. Однако выяснилось, что его свойства не в полной мере удовлетворяли потребности конструкторов. Хотя он был легким и пластичным, он не был достаточно прочным. Поэтому чаще используется дюралюминий (его еще называют дюралюминий), разработанный в Германии в начале 20 века. Этот сплав, а точнее, эта группа сплавов, содержит не только алюминий, но и изрядное количество меди и марганца, которые делают его прочнее и тверже. Однако этот материал имеет низкую свариваемость. Детали из дюралюминия обычно приклепываются или скрепляются болтами, что обеспечивает герметичность. Таким образом, дюралюминий используется в так называемых «сухих» ракетных отсеках.

Алюминиевые сплавы с содержанием магния (до 6 %), деформируемые и свариваемые, чаще используются в аэрокосмической промышленности. Из аналогичного сплава был изготовлен корпус первого в мире искусственного спутника Земли, того самого шара, который успешно выведен на орбиту вокруг Земли в октябре 1957 года. Из алюминиево-магниевого сплава были изготовлены и баки двухступенчатой баллистической ракеты Р-7, ставшей первой советской ракетой-носителем.

Космическая гонка между Советским Союзом и США привела к разработке и появлению множества более прочных сплавов на основе алюминия, содержащих до десяти компонентов. Алюминиевые и литиевые сплавы оказались самыми прочными и легкими.

Хотя сплавы «авиационного металла» остаются номером один по объемам использования в космической технике, сталь сегодня, как и в прошлом, является незаменимым материалом для аэрокосмической промышленности. С началом производства многоступенчатых ракет применение конструкции с цельными стальными корпусами, как у Фау-2, прекратилось. Однако космическая сталь все же существует: это различные марки нержавеющей стали.

Этот металл превосходит алюминиевые сплавы по твердости. Конструкции из нержавеющей стали, которые должны без деформации выдерживать объемные нагрузки, оказались более компактными и легкими. Кроме того, сталь, даже самых экзотических марок, дешевле.

В настоящее время топливные баки изготавливаются из нержавеющей стали. Следует отметить, что эти огромные сооружения имеют очень тонкие стены. Например, американская ракета-носитель Centaur имеет толщину стенок 0,51 миллиметра. Чтобы это сооружение высотой 12,68 м и диаметром 3,05 м не рухнуло под собственным весом, его форму поддерживают за счет искусственного создания внутреннего давления. Он практически надувается, как воздушный шар.

Третий наиболее распространенный металл, который используется в ракетах, — это медь. Он тяжелый и дорогой, но обладает фантастической теплопроводностью. Таким образом, внутренняя стенка ракетного двигателя изготовлена из медных сплавов (как правило, из хромистой меди). Он выдерживает нагрев до 3000°C, который вырывается из сопел во время запуска.

Другими заслуживающими внимания металлами, используемыми в ракетах, являются титан и серебро. Они важны с технологической точки зрения, но используемые объемы незначительны. При выводе космического корабля на орбиту важен каждый килограмм, а удельный вес титана в 1,6 раза превышает вес алюминия. Кроме того, металлический титан и его сплавы, как и серебро, намного дороже стали и алюминиевых сплавов.

Перспективы стали в ракетостроении

В современном мире не редкость, когда металлы и сплавы (в частности, сталь) заменяются стеклом и углеродным волокном. Космическая отрасль не исключение. Одним из примеров являются корпуса американских многоразовых космических челноков, которые имели систему тепловой защиты, построенную из семи различных волоконных и керамических материалов.

Еще одна инновация — использование больших 3D-принтеров, которые могут создавать цельные элементы сложной формы для космических кораблей. Некоторые частные космические компании делают упор именно на этот вариант. Примечательно, однако, что в качестве материалов используются различные металлические сплавы. Новая технология позволяет избежать сварки, гибки и других операций, которые, как известно, невозможны для некоторых легких металлов.

Что Илон Маск думает о будущем освоения космоса? Можно ли использовать сталь для космических кораблей?

В конце 2018 года он рассказал в интервью, что сверхтяжелая ракета-носитель Starship, способная доставлять грузы на Луну и Марс, будет построена из нержавеющей стали. Это проще, дешевле и быстрее.

По словам Маска, один килограмм углеродного волокна стоит 135 долларов США. С учетом брака он может стоить до 200 долларов США. Тем более, что его понадобится очень много. Напротив, один килограмм стали стоит около 3 ларов США. Недостатка в стали нет, так как производителей листов из нержавеющей стали в мире предостаточно. Разработаны и испытаны специальные сплавы, хорошо выдерживающие перепады температур. Они устойчивы к внешним факторам и не склонны к микротрещинам, что может привести к поломкам и выходам из строя. Нержавеющая сталь с добавлением хрома и никеля хорошо выдерживает сверхнизкие температуры топлива.

Илон Маск уверен, что современные металлургические технологии помогут ему справиться с поставленными задачами. В этом ему поможет высокопрочная немагнитная сталь AISI 301 с содержанием хрома и никеля.

После исследований в марте 2019 года на заводе Маска было демонтировано оборудование стоимостью в миллионы долларов для изготовления корпусов ракет из углеродного волокна, которое было исходным материалом.