«Знание - сила» 1960 г., №10
КОРАБЛЬ ВОЗВРАЩАЕТСЯ НА ЗЕМЛЮ
ПРОРЫВ В КОСМОС
Читатель может удивиться: «Прорыв в космос»! Ведь он произошел, подумаете вы, уже довольно давно, и даже назовете точную дату этого исторического события — 4 октября 1957 года. В тот день в нашей стране был запущен первый искусственный спутник Земли.
Однако это был лишь первый шаг в освоении космического пространства. И хотя за ним последовали и другие, все же настоящий прорыв в космос — это полет человека на борту космического корабля.
Но для этого непременно должно быть обеспечено возвращение человека на Землю. Следовательно, приземление космического корабля — это одно из главных условий осуществления подлинного прорыва в космос.
И эта важнейшая задача уже, как вы знаете, решена. Аппарат, созданный руками людей, был не только успешно заброшен в космос, но и благополучно возвращен на Землю, — именно туда, где его ждали. Этот аппарат — второй советский космический корабль, на борту которого совершили беспримерный полет собаки Белка и Стрелка, крысы, мыши, растения, семена, микроорганизмы и т. д.
Однако управляемый полет и возвращение корабля — не единственный залог успешного полета человека. Нужно также обеспечить его безопасность, создать необходимые условия в кабине. Сколько вопросов требует ответа: необходимо изучить влияние полета на жизненные функции организма, проверить действие космических лучей и т. д. Вот почему все животные, растения и микробы, находившиеся на корабле, сейчас тщательно изучаются.
Но есть немало и иных проблем, которые стоят перед творцами космических кораблей. Как решаются некоторые из таких проблем и рассказывают авторы публикуемых здесь статей.
В. ПАРФЕНОВ,
кандидат технических наук
Рисунки Ф. ЗАВАЛОВА
 Рис. 1 |
В борьбе за скорость полета непрерывно совершенствовались аэродинамические формы летательных аппаратов. Когда самолет летал со скоростью движения современного автомобиля, форма его напоминала этажерку для книг. Бипланы и трипланы, опоясанные паутиной лент расчалок, уступили место монопланам. С ростом мощности двигателей и увеличением скорости крылья самолета становились все изящнее и тоньше, они все дальше отбрасывались назад, плотнее прижимались к фюзеляжу. Самолеты становились все более стреловидными. И наконец самый быстроходный летательный аппарат — межконтинентальная ракета — совсем сбросила крылья.
Для ракеты, а также будущего межпланетного летательного аппарата решающее значение имеет форма носовой части. Она будет выполняться с особой тщательностью, чтобы при входе с космической скоростью в слои атмосферы выдержать мощный нагрев и благополучно совершить посадку.
Какими же путями идет наука, чтобы защитить от сгорания летательные аппараты, предназначенные для возвращения из космоса на Землю?
При проектировании первых баллистических ракет в США отдавалось предпочтение остроконечным формам конуса, имеющим наименьшее аэродинамическое сопротивление. Но уже пробные испытания показали, что в тонком пограничном слое воздуха, окружающем носовую часть, возникают чрезвычайно высокие температуры. Конус хорошо обтекаемой формы образует при движении слабую волну, отражающую в атмосферу только около 50 процентов тепловой энергии.
Совсем по-другому, как показали проведенные за рубежом опыты, ведет себя при входе в атмосферу ракета с тупой носовой частью. Впереди ее в этом случае образуется мощная ударная волна. Она действует подобно тормозу. Интересно, что такой носовой конус ракеты с момента ее входа в плотные слои воздуха отражает в атмосферу более 90 процентов всей тепловой энергии, возникающей в ударной волне.
Однако ракета с тупым конусом, пронзая плотную атмосферу, резко снижает свою скорость. Если бы в ней находился человек, его прижало бы с большой силой к передней стенке кабины. Для борьбы с внезапным торможением тупоносая ракета может снабжаться железной юбкой (рис. 1). Эта юбка в верхних слоях атмосферы расширена полностью, но при подходе к Земле, когда сила торможения растет, ширина железной юбки постепенно уменьшается. Благодаря этому общее лобовое сопротивление ракеты изменяется плавно.
Важно и то, что летательный аппарат с тупым носом начинает тормозиться раньше, чем аппарат обтекаемой формы, и поэтому достигает точки максимального торможения на большой высоте, где плотность воздуха еще низка, а аэродинамический нагрев относительно мал.
Чтобы определить, сможет ли тот или иной носовой конус выстоять при возвращении летательного аппарата в атмосферу, необходимо знать общее количество тепла, которое передается корпусу из пограничного слоя, а также скорость, с которой эта передача происходит. Вместе с тем очень важно знать возможности наиболее перспективных жаростойких материалов, а также условия работы их в космосе.
Люди постоянно изыскивают все новые и новые материалы, необходимые для создания механизмов. В поисках источников сырья они вгрызаются в недра земли, опускаются на дно морей, ежегодно перерабатывают горы земных пород.
 Рис. 2 |
В наши дни все химические элементы земной коры используются человеком при создании орудий машинной техники.
Наблюдая десятилетиями за работой стальных механизмов, человек сделал для себя важный вывод: металлические детали не вечны. Под влиянием нагрузок и внешней среды они приходят в негодность: изнашиваются, устают, подвергаются поверхностному разрушению.
Чтобы продлить жизнь машин, сделать их более надежными, металловеды, металлурги, физики и химики провели тысячи разнообразных испытаний. Стремясь проникнуть в тайны разрушения деталей машин под действием нагрузок и внешней среды, ученые создали науку о прочности металлов, о защите их от распространенной болезни — коррозии.
Современная промышленность и техника имеют в своем распоряжении полезный опыт по созданию надежных и работоспособных механизмов, способных работать в самых разнообразных земных условиях, в любой окружающей нас обстановке. Однако в наш космический век машины, созданные человеком, стали применяться не только в пределах земной атмосферы, но и вышли в межпланетное пространство — в царство вечного вакуума, метеоритных «дождей», в мир ливней сверхбыстрых ядерных частиц, в районы резких температурных контрастов.
Механизмы космической летательной машины работают при невероятно высоких тепловых, вибрационных и акустических нагрузках. Ведь в ракетных двигателях преобразуется за короткое время огромное количество энергии. Исторгаясь из реактивных сопел, поток раскаленных газов прежде всего воздействует на детали космического корабля. И чем выше мощность двигателей, тем тяжелее условия работы материалов, из которых строятся летательные аппараты.
Во время взлета корабля и пробивания плотных слоев воздуха обшивка его разогреется до температуры, исчисляемой сотнями градусов. Раскаленные стенки обтекаются потоком газа, распавшегося на отдельные атомы. Ясно, что взаимодействие металла с таким диссоциированным газом отличается от условий обтекания тела обычным воздухом.
Еще более необычной для материалов является окружающая среда в момент обратного входа межпланетного корабля в атмосферу Земли. В результате торможения аппарата большая часть его энергии движения трансформируется в тепло. Молекулы воздуха в пограничном слое разрушаются, и осколки молекул газа — атомы превращаются в смесь электронов, ионов и ядер атомов — плазму. Она служит источником невероятно высокого нагрева стенок корабля. Корабль на некоторое время оказывается в своеобразном огненном мешке. Даже короткое пребывание летательного аппарата в потоке плазмы оставляет глубокий след на его обшивке.
Стойкость стенок корабля в этих условиях во многом зависит от количества газовых пузырьков в материале обшивки. Чем это объяснить? При выплавке металлов и сплавов широко применяются очистка их от газов методом плавки в вакууме. Когда над ванной с растворенным металлом создают безвоздушное пространство, металл начинает бурно «кипеть». Это выходят из него газы. Теперь представьте себе, что носовой конус космического корабля был сделан из сплава, содержащего в себе большое количество газов. При входе в верхние слои атмосферы, где фактически имеется такой же вакуум, как и над ванной в электропечи, оплавляющийся носовой конус буквально закипит, освобождаясь от газов. Ясно, что оболочку аппарата лучше изготовлять из материалов, свободных от растворенных газов. В этом случае конус будет оплавляться спокойнее и выдержит высокий нагрев более продолжительное время.
Но не только вакуум и резкие смены температур характерны для условий, в которых применяются материалы космической техники. За пределами атмосферы межпланетный корабль попадает под ливень космических частиц — ядер водорода. Зонтом для космонавта в этом ливне явятся прежде всего стенки корабля. Но насколько стойкими будут они при длительном космическом облучении, наукой достоверно еще не установлено.
Материалы для корпуса межпланетного корабля, помимо всего прочего, должны надежно предохранять экипаж от космического вакуума, хорошо противостоять эрозии при бомбардировке обшивки космической пылью и даже выдерживать удары мелких метеоритов...
Какие же металлы самые стойкие в этих необычных условиях? — вот проблема, над решением которой работают ученые многих стран.
Среди химических элементов таблицы Д. И. Менделеева имеются металлы, которые плавятся при комнатной температуре. Но в то же время есть группа очень тугоплавких металлов. Чтобы перевести в жидкое состояние, их требуется нагреть до температуры 3000 градусов и выше.
Ясно, что строительным материалом для космических кораблей целесообразнее брать тугоплавкие вещества.
К таким «экзотическим» элементам зарубежные ученые относят пять металлов: бериллий, ниобий, молибден, тантал и вольфрам.
Бериллий, в отличие от остальных четырех металлов этого списка, не является тугоплавким. В ряду металлов, расположенных по температурам плавления, бериллий занимает скромное место где-то в третьем десятке. Плавится он при 1315 градусов. Но это очень легкий по весу и в то же время прочный материал. Он в пять раз легче меди. Жесткость и прочность его мало изменяются при нагреве до 650 градусов.
 Рис. 3. |
Бериллий обладает и большой теплопоглощающей способностью. Каждый килограмм его способен «вобрать» в себя в 15 раз больше тепла, чем такой тугоплавкий металл, как платина. Эти свойства и выдвигают бериллий в качестве возможного материала для корпусов и теплопоглотительных экранов космических кораблей.
Интерес к бериллию быстро растет, добыча его с каждым годом возрастает. Зарубежные специалисты по бериллию стремятся поднять пластичность этого металла путем изыскания способов очистки его от примесей.
Бериллий очень дорогой металл. Дороговизна его объясняется не только трудностью получения, но и ограниченностью месторождений бериллиевых руд.
Предсказывается большое будущее редкому металлу ниобию. Его выплавка также растет из года в год.
Удельный вес ниобия почти такой же, как и меди. Однако этот металл плавится при температуре в два с лишним раза более высокой (2420 градусов).
Ниобий может применяться при температуре около 1400 градусов. При этой температуре обычная сталь начинает уже плавиться.
Широкое применение ниобия в настоящее время ограничено, пока прежде всего из-за его высокой стоимости. Кроме того, методы получения ковкого ниобия еще не совершенны. При высоких температурах (выше 1100 градусов) он начинает быстро окисляться. Однако эта особенность ниобия, как строительного металла для космических кораблей, не является определяющей. Сопротивление ниобия окислению можно повысить введением в состав сплава таких химически стойких металлов, как тантал.
Чистый ниобий — очень пластичный металл. Пруток диаметром 1,87 сантиметра можно прокатать без всякого нагрева в фольгу толщиной с папиросную бумагу. Прочность ниобия при высоких температурах, когда обычная сталь становится мягкой, как воск, изменяется несущественно. Все эти ценные качества ниобия выдвигают его в первые ряды жаропрочных материалов космической техники.
Редкий металл тантал — один из самых тугоплавких элементов таблицы Д. И. Менделеева. Он переходит в жидкое состояние при 3027 градусах. Это тяжелый серебристо-белый металл, вдвое более тяжелый, чем медь. По цвету он похож на платину, а сплавы тантала с медью не только по цвету, но и по химическим свойствам напоминают золото.
Самой выдающейся особенностью этого элемента является его необычайно высокая устойчивость против воздействия различных кислот и щелочей. В смеси соляной и азотной кислот — так называемой «царской водке», в которой растворяются золото и платина, изделия из тантала даже не меняют цвета. И хотя тантал хорошо сопротивляется электрохимической коррозии, он, подобно другим жаропрочным металлам, при высоких температурах нуждается в защите от окисления.
Большой интерес проявляют зарубежные специалисты к тантало-вольфрамовому сплаву, содержащему около 7 процентов самого тугоплавкого металла — вольфрама. Этот сплав, по сообщениям зарубежной печати, якобы способен надежно работать при температурах до 1900 градусов. Другой танталовый сплав содержит в своем составе 10 процентов вольфрама и уже применяется для изготовления сопел ракетных двигателей.
Из всех жаропрочных металлов самое большое внимание конструкторов и металлургов привлекает молибден. Технология получения его к настоящему времени оказалась более усовершенствованной, чем других тугоплавких металлов. Сплавы на основе молибдена дают наилучшее сочетание свойств для работы в условиях высоких температур.
Подобно большинству других жаропрочных металлов молибден с заметной скоростью окисляется уже при температуре около 800 градусов. Окислы молибдена летучи. Поэтому при длительном высокотемпературном нагреве деталь из молибдена буквально тает на глазах — испаряется.
Сильная окисляемость молибдена создает самое серьезное препятствие для использования этого металла в создании носовых конусов ракет, возвращаемых в атмосферу Земли. В связи с этим за рубежом усиленно разрабатываются способы защиты поверхности молибденовых деталей от окисления.
Привлекательность вольфрама заключается в его самой высокой из всех известных металлов точке плавления — 3410 градусов. Чтобы расплавить вольфрам, нужно создать температуру лишь в два раза меньшую, чем температура поверхности Солнца!
Из этого металла долгое время вытягивали только нити электроламп и лишь сравнительно недавно были разработаны приемлемые способы прокатки и литья деталей из этого металла. Огромная прочность вольфрама при высоких температурах сильно затрудняет обработку его для придания деталям нужной формы.
Недостатком вольфрама является его большой вес. Он в семь раз тяжелее алюминия и в 11 раз тяжелее бериллия. Ясно, что если бы обшивка космического корабля была сделана из вольфрама, стартовый вес космического корабля неминуемо возрос бы.
Конечно, список материалов космической техники только пятью тугоплавкими элементами не будет ограничиваться. Для создания возвращаемых спутников и межпланетных кораблей потребуются сплавы, защищающие человека от космического излучения. Для ажурных и в то же время прочных конструкций космических аппаратов требуются сплавы в несколько раз более прочные, чем современные. Чтобы получить их, нужно осуществить новые научные открытия в физике твердого тела, в металлургии и технологии металлов.
Требуются высоколегированные теплоемкие сплавы с очень низкой теплопроводностью, нужны самовозгоняющиеся — «жертвенные» материалы, необходимые для отвода тепла при входе возвращающегося аппарата в атмосферу.
Космическая техника... Чтобы наиболее полно удовлетворить ее потребности в материалах, нужны опыт металлургов, знания физиков и химиков, занятых разработкой новых синтетических материалов с необычными свойствами. От их координированных усилий во многом зависят сроки осуществления мечты человека о полетах за пределы земного тяготения.
Наиболее перспективной за рубежом считается защита спутников от сгорания путем покрытия носовой части так называемым сублимирующим материалом. (Сублимация — превращение вещества при нагреве из твердого состояния непосредственно в газообразное, минуя жидкую фазу). Самое замечательное, что для превращения твердого тела сразу в газ требуется огромное количество тепла. Поглощенное тепло не остается в носовом конусе, а вместе с газом отводится в пространство. Вот почему с помощью сублимации можно надежно защитить от сгорания внутренние узлы спутника.
Материал такого конуса должен обгорать равномерно и правильно с аэродинамической точки зрения. В отличие от металлов, используемых при методе поглощения тепла, испаряющиеся конусы должны проводить тепло возможно медленнее. В этом случае поверхность конуса начнет превращаться в газ в то время, когда внутренние слои останутся еще холодными и поэтому еще достаточно прочными.
Ученые США рассмотрели условия; при которых может быть совершен вход в атмосферу спутника, идущего на высота 160 километров со скоростью 6,4 километра в секунду (см. рис. 2). Для упрощения расчетов они допустили, что траектория спуска перпендикулярна поверхности Земли. При этом предполагалось, что к моменту достижения земной поверхности вся энергия спутника, как кинетическая, так и потенциальная, превращается в тепло.
Расчет, выполненный на основе этих допущений, показал, что на каждый килограмм веса спутника выделяется около 5500 килокалорий тепла. Это очень большая величина. Чтобы оценить ее, надо иметь в виду, что тепловой поток через самое узкое сечение ракетного двигателя в 10 раз меньше теплонапряженности конуса спутника, входящего в атмосферу.
При таком огромном тепловом потоке спутник должен иметь неприемлемо толстые, металлические стенки. Этот тепловой поток слишком силен и для того, чтобы можно было обеспечить достаточное охлаждение циркуляцией охлаждающей жидкости.
В качестве сублимирующего материала может применяться такое тугоплавкое вещество, как окись бериллия. Это легкое вещество переходит в газообразное состояние при температуре около 2500 градусов. Несмотря на такую большую температуру поверхности конуса спутника, этот разогрев не представляет опасности для конструкции и оборудования спутника, так как воздействие тепла кратковременно, а теплопроводность окиси бериллия невысока.
Кроме окиси бериллия, могут быть применены такие металлы, как тантал, молибден, вольфрам и даже золото, а также пластмасса, которая имеет низкую теплопроводность, отличается гибкостью и высокой стойкостью против тепловых ударов.
Подобными материалами, возгоняющимися при высоком разогреве, возможно покрывать все главные элементы космических летательных аппаратов — носовую часть фюзеляжа, передние кромки крыльев и хвостовых оперений. На рисунке 3 вверху приведен гипотетический профиль крыла до возвращения космического корабля в атмосферу, а внизу профиль обгоревшего крыла после посадки корабля на Землю. Конструктивные элементы (1), воспринимающие нагрузку, могут быть покрыты слоем теплоизоляции (2) — асбестом или кварцем и испаряющимся материалом (3). После обгорания носовой части фюзеляжа и крыла лобовое сопротивление летательного аппарата возрастет. А это приведет к снижению скорости и, следовательно, к уменьшению температуры.
Другим средством защиты летательного аппарата от сгорания может служить отвод тепла излучением. Считается, что этим методом может быть возвращено в атмосферу до 40 процентов тепла, поступившего в обшивку из пограничного слоя. В связи с этим делаются попытки увеличить отражательную способность поверхности летательного аппарата. Наружные части летательных аппаратов стремятся сделать с достаточно большой площадью, а также отполировать их до блеска.
В нормальных условиях молекулы азота и кислорода состоят из пар атомов, связанных между собой и движущихся совместно. При высоких температурах, возникающих в ударных волнах или в пограничном слое обтекания, происходит разрушение молекул на отдельные атомы. Это явление называется диссоциацией. При еще более высоких температурах начинается ионизация газа, то есть молекулы и атомы, теряя или приобретая электроны, получают электрический заряд.
Такие заряженные частицы могут быть приведены в движение под действием электромагнитных полей. Это, по мнению зарубежных специалистов, открывает интересные возможности. Ударные волны, отходящие от носовых частей аппарата, настолько ионизированы, что они хорошо проводят электрический ток, а следовательно, на них можно воздействовать магнитными силами. С помощью магнита возможно эти волны отодвинуть вперед от носовых частей аппарата и тем самым снизить температуру его поверхности.
Как практически осуществить магнитное охлаждение спутника?
Вокруг носового конуса ракеты или космического корабля будет проходить по кольцу большой ток. Образующееся магнитное поле замедлит и отразит ионизированный газ, находящийся за фронтом ударной волны. Одновременно ударная волна сдвинется вперед, и нагрев тела уменьшится.
Конечно, наука располагает еще недостаточным количеством экспериментальных данных для того, чтобы уже теперь осуществить магнитное охлаждение космических тел или отдать предпочтение какому-либо одному из вероятных методов борьбы с нагревом летательных аппаратов, входящих в атмосферу Земли. При сопоставлении методов защиты спутников иностранными учеными подчеркивается, что самый минимальный вес будет иметь защита, основанная на методе сублимации «жертвенного» слоя поверхности.