Интересные факты и полезные советы. Из каких металлов строят космические корабли, бороздящие бескрайние просторы вселенной

Палладий считается самым перспективным металлов из платиновой группы - он легче всего добывается и относительно дешево стоит, а из-за сходства характеристик им легко заменить саму платину. Большая часть добываемого палладия идет в электротехнику, химическую отрасль и ювелирное дело. В последнее время эксперты замечают дефицит палладия на рынке и сокращение запасов этого металла, он приобретает инвестиционную ценность, несмотря на то, что резкого взлета цен на палладий пока не прогнозируют.

Палладий был открыт английским химиком и аффинером Вильямом Волластоном, который растворил руду в «царской водке», а затем осадил выделившуюся платину хлоридом аммония. Путем экспериментов он пришел к тому, что в раствор добавил цианид ртути и получил цианид палладия, из которого при нагревании получился уже чистый палладий. Волластон обставил свое открытие с выдумкой - он анонимно отправил слиток палладия одному из лондонских торговцев, расписав его сходство с платиной. Торговец выставил слиток на продажу, чем привлек массу внимания дельцов и ученых. Вокруг нового металла было много споров - его рассматривали и анализировали, о нем спорили и обвиняли в подделке. Через какое-то время в крупнейшем научном журнале появилось объявление, что податель сего заплатит 20 фунтов стерлингов тому, кто создаст за год такой же металл. Ни одна попытка не увенчалась успехом, и в 1804 году Волластон доложил Королевскому обществу, что все это его рук дело. Помимо палладия он открыл еще и родий, но тот не был столь эффектен. Свое название новый металл получил в честь астероида Паллада, открытого за год до изобретения металла. В истории же палладием или палладиумом называли священную статую древнегреческой богини Афины Паллады. Теперь в научном мире есть знак отличия - «медаль Волластона», которая чеканится из чистого палладия.

В те времена платина была единственным известным минералом, содержащим палладий, сейчас же их открыто около 30. Очень редко он встречается в виде самородков, чаще в составе минералов вместе с платиной, свинцом, оловом, серой, теллуром и другими. Существуют также редкие соединения - палладистая платина (40%) и палладистое золото (примерно 10%). Палладий содержится не только в земных недрах, неспроста его называют космическим металлом - его находят в составе железных и каменных метеоритов.

Главные поставщики палладия на мировой рынок - Россия, ЮАР и Канада, а главные потребители - европейские страны, Япония и США. Самые богатые отечественные месторождения находятся на Урале и в Заполярье. Промышленным способом палладий у нас начали получать только в 1922 году, занимался этим Государственный аффинажный завод.

Палладий - самый легкий и легкоплавкий из всех платиноидов. Он хорошо поддается любым видам обработки - ковке, вытягиванию, свариванию, прокатке. Он инертен, стоек к агрессивным средам и при этом обладает отличными катализирующими свойствами и способен поглощать водород в огромных количествах (до 950 объемов). Благодаря этому качеству он незаменим в производстве каталитических конвертеров для автомобилей. Палладиевые катализаторы применяются так же при переработке нефти и для производства ракетного топлива, а палладиевые контакты не допускают искрения, поэтому активно используются в электротехнике, даже такой сложной как военная или аэрокосмическая. Устойчивость к химическому воздействию делает палладий незаменимым для производства химической и медицинской техники.

В ювелирной отрасли палладий используется для производства белого золота - он хорошо держит полировку и долго не тускнеет. Из него делают украшения и корпуса для дорогих часов. Для этой области применения используется как чистый палладий, так и сплавы, например, с серебром, медью и никелем. Самая высокая ювелирная проба палладия - 950-я.

Автомобилестроение забирает основную часть всего добываемого палладия, на электронную промышленность уходит примерно 15%, к ювелирам - 10%, остальное идет в химическую отрасль и медицину. Из автопрома возвращается и большая часть вторичного палладия - за счет сдачи и переработки автомобильных конвертеров. Вы можете продать автомобильный катализатор нашей компании, а мы отправим его в переработку, чтобы содержащийся в нем палладий снова вернулся на рынок драгметаллов.

Через месяц исполнится ровно полвека первому старту ракеты Р-7, который состоялся 15 мая 1957 года. Эта ракета, которая до сих пор носит всех наших космонавтов, 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.

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.

Самый модный металл космического века. Вопреки широко распространенному мнению, титан не очень широко применяется в ракетной технике — из титановых сплавов в основном делают газовые баллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавы становятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом или жидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. На космическом корабле ТКС, который, правда, так ни разу и не полетел с космонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздух для него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана с рабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19 килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллон такой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!

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.

За последние годы космос вновь стал тем, о чем все чаще говорят. О нем говорят везде - в новостях, газетах, по радио и, в конце концов, просто дома на кухне. И стоит отметить, что говорят совсем не зря. Человечество в очередной раз обратило пристальное внимание на небеса и старается дотянуться если не до звезд, то до соседних планет уж точно. Однако если кто-то думает, что речь сегодня пойдет о чем-то астрономическом, то он ошибается, речь пойдет немного об ином, о металлах и сплавах.

Думаю, не стоит лишний раз напоминать, какое значение имеют достижения металлургов в деле развития космической программы человечества. А вот поговорить о том, что осваивая космос, перед металлургией открываются новые технологические возможности, не только можно, но и нужно. О каких возможностях идет речь? Да все и так понятно – в невесомости меняются не только процессы течения жидкостей, но и процессы теплопереноса, а стало быть, появилась возможность использовать новые, ранее не опробованные способы получения и переработки металлических материалов.

Так, например, под действием поверхностного натяжения, расплав принимает форму шара и свободно зависает в пространстве. Как в свое время показали советские и американские исследования, расплавленный метал (медь), за 3 секунды превращается в шар, который в диаметре составляет 10 сантиметров. Однако интересно не это, а то, что металл в итоге не загрязняется никакими примесями, что в земных условиях сделать практически невозможно.

Далее полученному шару придают необходимую форму с помощью электрических и магнитных полей. Интерес представляет еще один эксперимент американцев, благодаря которому удалось узнать, что в глубоком космосе некоторые материалы просто-напросто испаряются. В основном это кадмий, цинк и сплавы магния. А наиболее устойчивыми металлами оказались вольфрам, сталь, платина и как ни удивительно, титан.

Собственно, именно титан наиболее всего заслуживает внимания. Дело в том, что титан на сегодняшний день является одним из самых важных конструкционных материалов. Связанно это в первую очередь с сочетанием легкости этого металла с прочностью и тугоплавкостью. Ни для кого не секрет, что на основе титана было создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники. Например, очень интересным свойством обладает сплав титана с никелем, который практически в прямом смысле «запоминает» свою форму. И если на холоде изделие из данного сплава можно сжимать в небольшой шар, то при нагревании, материал вновь приобретает первоначальный вид.

Узнавая все больше о свойствах металла в космосе и познавая новые металлургические возможности в получении отливок, некоторые бизнесмены забегают вперед в своих рассуждениях не только на словах. Еще писатели-фантасты вроде Айзека Азимова упоминали в своих произведениях реализацию добычи ископаемых не с родной Земли, а с астероидов. Эту идею долгое время вынашивали и обсуждали, считая, что добыча в космосе является заведомо не выгодным делом. Однако сколько людей, столько и мнений, поэтому буквально год назад стартовала новая космическая программа фонда X-Prize во главе с Питером Диамандисом, который считает, что выгоде быть. И пусть добычей металлов сразу заниматься X-Prize не планирует, однако он, возможно, станет настоящим пионером. Более подробно о задумке Диамандиса можно прочитать, просто кликнув сюда.

Удивительными и, действительно, необычными технологиями пополнился арсенал человеческих возможностей. Когда-то первые приборы, которые работали от электричества:

делали нашу жизнь комфортной, упрощая работу множеством автоматических приборов,
обладали лишь базовым набором функциональных возможностей, но казались необычайно сложными изобретениями,
стали инновациями своего времени, позволив человеку стремиться к новым изобретениям.

После покорения бескрайнего космоса, развитие технологий вышло на совершенно новый уровень. Инвестиции позволили построить первые станции, специализирующиеся на выработке металлов, прямо на поверхности астероидов.

Станции превратились в небольшие, так называемые, заводы полностью автоматизированные. Они не перерабатывали полученные компоненты на ходу, зато сортировали материалы, по мере их ценности, пригодности для дальнейшего использования. Такое решение было вполне разумным, ведь переработку могли обеспечить и более простые технологии, широко распространенные на планете.

Робототехника должна была развиваться быстрее, чтобы успеть за другими космическими изобретениями. Здесь помогли идеи, построенные на уже существующих современных гаджетах. Поэтому роботы отличались плавностью движений, полностью контролируемым интерфейсом и множеством других преимуществ.

Доставка ресурсов на нашу планету так же упростилась. Подтверждением чему выступают последние экспедиции. Результатом стали полученные металлы. Они достались учёным цельными, практически не повреждёнными, даже при добычи образцы большинства, важных для развития металлургии в целом, металлов.

Астероиды - источник для добычи металлов!

Учёные всерьёз задумались о том, чтобы наладить добычу полезных ископаемых. Это удобнее всего сделать ближе к источнику, то есть прямо на поверхности астероидов.

Освоение астероидов, с последующими возможностями для организации эффективной работы по их выработке - главная задача современного производства. Подобные проекты обеспечат получение ресурсов различного спектра и назначения. Существует специальное название - промышленное освоение, характеризующее сам процесс получения пользы от изучения ещё неизведанных объектов, находящихся в космосе.

Не только астероиды пригодны для выполнения всех необходимых работ по добыче металлов и других подобных им веществ. В относительной близости к Земле находятся, буквально, миллионы космических объектов. А, если учесть большие по протяжённости пояса астероидов, запаса веществ на нашей планете хватит на несколько сотен лет. Некоторые космические тела так же пригодны для проведения добычи металлов, без нанесения вреда самим источникам полезных минералов и веществ.

Такие дорогостоящие металлы, как титан и никель, образуются естественным путём на благоприятных для этого участках земной поверхности. Космос не стал исключением, подарив учёным новые возможности для работы.

Зачастую, среди разнообразия материалов, которые можно найти в породах астероидов, встречается и железо. С одной стороны, его в достаточно большом количестве можно найти на нашей планете.

Но любые разновидности полезных ископаемых, даже самые распространенные на Земле, представляют собой основу для развития промышленностей на уровне государственного устройства. Но такие источники не вечны, поэтому уже сейчас следует задуматься о нахождении новых и альтернативных возможностей для добычи ресурсов. В этом плане космос безграничен:

для исследователей, проводящих пробы пород, с целью обнаружения богатых металлами мест.
в плане освоения неизученных ранее свойств элементов,
как вспомогательный элемент для производства.

Некоторые учёные даже сделали предположение о пользе изучения астероидов с точки зрения их состава. Утверждают, что астероиды содержат в себе все необходимые элементы, которые могут поспособствовать даже получению воды и кислорода.

Так же, смеси веществ, присутствующие в составе породы астероида, насыщены компонентами, из которых можно добыть даже водород. А это уже серьёзное подспорье, ведь этот компонент является основным "ингредиентом" ракетного топлива.

Но данная индустрия всё ещё является молодой, до конца неизученной отраслью. Налаживание производства подобного уровня, нуждается:

в дополнительных инвестициях,
грамотных вложениях денежных средств, непосредственно в производство новых технологий,
привлечении помощи других отраслей, специализирующихся на дальнейшей переработке металлов.

Грамотно построенная работа, которая будет налажена на всех последующих уровнях производства, сократит дополнительные расходы, например, на топливо для ракет, или зарядку роботов, увеличив тем самым общий доход.

Астероиды - кладезь редких металлов!

Ценовая политика таких проектов приобретает просто нереальный размах. Один астероид, даже сравнительно небольшой по своим размерам, - просто находка для современных технологов и учённых. Роботы могут, в некоторых случаях даже определить, какой слой породы отделяет их от желаемой находки.

Суммы, и в приблизительных подсчётах исчисляются в триллионах. Поэтому все затраты, безусловно, себя оправдают, причём в несколько раз. Прибыль, полученная от произведённых работ по добыче металлов, уходит на их дальнейшую обработку.

Большинство элементов, представлены в чистом виде. Но для некоторых понадобится участие вспомогательных растворов и смесей, преобразующих веществ к нужному состоянию. Трудно поверить, но такой драгоценный металл, как золото, присутствует в достаточном для добычи количестве.

Не знают, что большая часть золота, присутствующая в верхних слоях Земли, является своеобразными следами, когда-то упавших астероидов. Со временем планета и климатические условия на них менялась, преобразовывалась почва, а остатки астероидов смогли сохранить ценные, заключённые в них металлы.

Астероидные дожди поспособствовали тому, что тяжёлые вещества, в том числе металлы, подчинились силе гравитации, опустившись ближе к ядру планеты. Их выработка стала затруднительной. И вместо этого, учёные предположили, что целесообразнее всего вкладывать деньги в работу с астероидами, подобно тому, как ведётся добыча на Земле.

Будущее технологий за космосом!

Эволюция привела человека к пику своего развития, подарив ему множество различных изобретений. Но, тема космоса всё ещё остаётся не до конца раскрытой. Представьте себе, сколько потребуется вложить денежных средств, чтобы наладить работу по добыче на поверхности самого астероида.

Ещё одним фактором, из-за которого этот проект долго оставался в теории, стала проблема, возникающая с доставкой груза с металлами обратно на Землю. Подобная процедура могла занимать столько времени, что даже сама выработка стала бы не актуальной и очень дорогой. Но учёные нашли выход и из подобной ситуации. Были собраны специализированные роботы. При помощи механических действий человека, непосредственно подключённое к системе рота, он может направлять его движения, не испортив ценных образцов уже добытых материалов.

У робота в строении предусмотрен отсек, куда и помещаются собранные образцы. Далее они отправятся на Землю, где учёные проведут ряд тестирований, доказывающих ценность данного астероида на предмет содержания в нём полезных веществ.

Такая предварительная проверка необходима ещё и для большей уверенности в том, что работы по выработке металлов действительно нужны. Ведь в подобных отраслях всегда замешено колоссальное количество денежных средств.

Технологии будущего из прошлого!

Даже далёкий от науки человек понимает - ресурсы нашей планеты не бесконечны. А искать на Земле альтернативу существующим полезным веществам, а так же ископаемым, просто негде.

Современный мир, именно поэтому развивается стихийно, и вместе с тем сохраняет спокойный и размеренный темп человеческой жизни. Каждый эксперимент - отражение сущности учёного, его гениальных трудов, первых удачных экспериментов.

Но вспомним, как начиналась космическая лихорадка. Генератором идей стало произведение одного, очень известного в своё время фантаста. Тогда это казалось простой выдумкой, - сейчас стало вполне обыденной реальностью, привлекающей пристальное внимание учёных, стремящихся довести свои теоретические идеи до практического применения, приносящего пользу человечеству.

Технологии являются дорогостоящими, не просто найти достойных инвесторов, готовых рискнуть многим, ради положительного результата. Но проекты будущего необходимо развивать и внедрять в производство уже сейчас.

Чтобы не говорили учёные, но время полноценной добычи редких, дорогостоящих металлов прямо из космических просторов уже пришло.

Инновации требуют:

проверки временем,
грамотной организации производства,
изучения возможностей смежных отраслей, которые могут взаимовыгодно сотрудничать между собой.

Без вложений не будет отдачи, даже на минимальном уровне следует организация самого процесса работы и только потом - полученный результат, на который вы надеялись.

Как появились астероиды?

Если учёные смогут определить благоприятные условия, при которых образуются астероиды, то такие полезные источники можно будет создавать искусственным путём с помощью лабораторий, или, непосредственно в просторах космоса. Известно, что астероиды - это первоначальный материал, оставшийся после того, как наша Солнечная система была образована. Они распространены повсюду. Некоторые астероиды пролетают на очень близком расстоянии к Солнцу, другие курсируют по одним орбитам, образуя целые пояса астероидов. Между Юпитером, и расположенным в относительной близости к нему Марсом, присутствует наибольшее скопление астероидов.

Они представляют собой очень большую в плане ресурсов, ценность. Изучение астероидов с различной точки зрения, позволит проанализировать их структуру, поспособствует:

созданию базы для дальнейшего изучения космоса,
привлечению новых инвестиций в данную отрасль,
разработку специализированного оборудования, которое смогло бы работать в самых различных условиях.

Заниматься добычей металлов на астероидах значительно проще, ведь они распределены по всей поверхности космического объекта. Концентрация даже самых драгоценных и дорогих металлов равна той, которая представлена на Земле только в богатых месторождениях. Интерес к подобным видам работ, из-за их востребованности, возрастает с каждым днём.

Космонавты смогли сделать невозможный технологический прорыв в области технологических возможностей. Первые, взятые на поверхности астероидов образцы:

дали учёным общее представление о структуре астероидов,
помогли сделать их выработку более быстрой,
определили новые источники для получения металлов.

В ближайшем будущем технологии подобного уровня займут основное место среди производства. Если представить, даже чисто теоретически, что запасы астероидов безграничны, - то они могут поддерживать экономику целой планеты, позволяя ей развиваться в несколько раз быстрее.

Казалось бы, к чему ещё стремиться, когда человек покорил космические просторы? Но на практике, ещё далеко не все полезные свойства астероидов и других объектов, присутствующих в космосе, изучены полностью. То есть, можно будет наладить безотходное производство. Каждый элемент данной цепочки - не существует без влияния на него предыдущего. Особенно такой подход актуален, когда мы имеем дело с металлами. Их структура достаточно прочная, но если не придерживаться правильных условий для их добычи и эксплуатации, - ценный природный ресурс может испортиться.

Металлы из космоса - обыденная реальность нашего времени. Планируются новые проекты, основой которых станет получение воды и кислорода - жизненно необходимых нам компонентов.

Андрей Суворов
Апрель 2007

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

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.

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

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).

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...

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 треье 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

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.

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 стЧят 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 стеклои 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.

Титан и титановые сплавы

Самый модный металл космического века.

Вопреки широко распространенному мнению, титан не очень широко применяется в ракетной технике - из титановых сплавов в основном делают газовые баллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавы становятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом или жидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. На космическом корабле ТКС, который, правда, так ни разу и не полетел с космонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздух для него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана с рабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19 килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллон такой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!