Крылатые ракеты

Крылатые композиты

Но все же, несмотря на новые технологии работы с металлами, неметаллические материалы побеждают. Если в конструкциях российской гражданской авиатехники четвертого поколения применяется примерно 70% алюминиевых сплавов и 15−20% композитов, то последний Airbus уже на 50% состоит из композитных материалов, а американцы в Boeing 787 Dreamliner обещают повысить этот показатель до 70%. С ракетами и космическими аппаратами происходит то же самое. Причина — экономия массы выводимого на орбиту груза, и чем выше «номер ступени», тем больше выигрыш от использования композитов. Кстати, первой ракетной крупногабаритной «цельнопластмассовой» деталью почти полвека назад стал стеклопластиковый головной обтекатель на американских лунных зондах. Современный обтекатель ракеты «Протон-М», сложная сотовая пятислойная углепластиковая конструкция со специальным теплозащитным покрытием (ТЗП), весит на четверть меньше традиционного дюралевого. Большинство наружных ТЗП, которые предохраняют полезный груз от аэродинамического нагрева, работают на испарении и «уносе массы». Это полимерные материалы на основе, как правило, силиконовой резины с различными наполнителями — как снижающими массу покрытия, так и замедляющими его выгорание. Реализован принцип «кипящего чайника»: пока вода не выкипела, температура чайника выше 1000С не поднимется. В результате снаружи, например, головного обтекателя температура свыше 9000С, а в приборном отсеке — всего 60!

Пластмассовые ракеты

Твердотопливные ракеты стали «пластиковыми» почти целиком — из композитов уже давно изготавливают корпуса двигателей, причем в космосе стеклопластик появился на третьей ступени первых американских ракет-носителей «Тор-Эйбл» и «Авангард» в конце 50-х. Хотя «Авангард-1» был запущен ракетой с металлической третьей ступенью, последний спутник этой серии полетел уже на стеклопластиковом двигателе. Чтобы получить максимальный выигрыш от замены металла композитом, корпус двигателя делают одной неразъемной конструкцией, которая за очевидное сходство с продукцией гусениц шелкопряда была названа «коконом». Для намотки «кокона» используются специальные крупногабаритные станки, причем прямо в процессе намотки кокон пропитывается смолами, которые полимеризуются в специальных автоклавах. Кроме стеклопластика используются и углепластики, и даже органопластики (кевлар и др.).

Если говорить о жидкостных ракетах, то пока дело ограничивается межбаковыми отсеками — например, на ракете Falcon-1 переходник между ступенями сделан из углепластика. И в Америке, и у нас разработчики пытаются построить из углепластика баки для горючего и для окислителя, но задача пока не решена — из-за этого, например, был закрыт проект одноступенчатого многоразового носителя Х-33. Ключевым местом конструкции должен был стать композитный бак для жидкого водорода, но оказалось, что под воздействием криотемператур композит растрескивался. Тем не менее попытки будут продолжаться, потому что выигрыш может составить не менее 25% массы конструкции, даже с учетом увеличения толщины.

В порошок

Одно из приоритетных российских направлений — гранульная (порошковая) металлургия. В чем ее преимущества перед литьем? По составу никелевые сплавы в обоих случаях одни и те же, но их характеристики совсем другие. Показатели надежности гранульных материалов более чем вдвое превышают литые — благодаря уникальной однородности и улучшению микроструктуры. Ударная вязкость (параметр, используемый материаловедами; «антихрупкость») выше в полтора раза. Известно, например, что двигатели для крупнейшего в мире европейского аэробуса А380 поставила фирма Rolls-Royce; их лопаточные колеса сделаны из гранульных жаропрочных сплавов. Англичане сами такой металлургией не занимались и попросили помощи у американцев. Те отказались передать оборудование и технологию, но «с радостью» стали продавать диски. Интересная история: «ключик» от А380, за взлетом которого наблюдали Шредер и Ширак, на самом деле находится в США.

Таким образом, серьезного гранульного производства сегодня в Европе нет. А в России есть — существует полная линия гранульной металлургии, созданная на ОАО «Композит» совместно со Ступинским металлургическим комбинатом. Освоено и производство капсул, и выплавка электродов самого высокого качества, и распыление, и получение великолепнейших гранул. В турбонасосных агрегатах двигателей РД-171 и РД-180, идущих на экспорт, используются именно такие материалы. Кстати, при сравнительном анализе экспертами ОАО «Композит» российские гранулы оказались лучше американских.

Технологии
В США фонари вызывают полицию, если в городе стреляют

Микродвигатели

Композиты из карбида кремния позволят совершить революцию в строительстве микро-ЖРД, необходимых для ориентации космических аппаратов и коррекции их траекторий. Нынешние двигатели чаще всего однокомпонентные, работающие на разложении гидразина, вытеснительная подача которого в камеру сгорания требует тяжелых баков и большого количества вытесняющего газа. Керамо-матричные композиты с каркасом из волокон карбида кремния и матрицей из такого же карбида кремния позволят к 2010 году либо чуть позже создать материал, из которого можно изготовить колесо ротора турбины вместе с лопатками для турбонасосного агрегата такого микро-ЖРД. Условия достаточно жесткие — 10 000 об/мин, температура свыше 17000С. Ни один металлический материал в таких условиях работать не может. Но это еще не все — крутиться ротор этой турбины будет в композитных же подшипниках скольжения! Дело в том, что традиционные подшипники качения требуют смазки, но ни одна смазка не сможет работать в столь жестких условиях долгое время — либо испарится, либо выгорит. Сейчас есть уже два класса материалов — один на основе углепластика, другой — углерод-углерода; они могут применяться для изготовления вкладышей подшипников скольжения, которые полностью заменят подшипники качения. Углерод-углеродный вариант работает при температурах до 4500С, а углерод-карбидный — до 20000С. Еще одно достоинство таких материалов состоит в том, что они могут работать в агрессивных средах.

Переход на турбонасосную подачу и высокоэнергетическое топливо позволит улучшить экономичность микро-ЖРД и весовое совершенство космических аппаратов. С 2002 года в этой области действует программа, утвержденная, курируемая и финансируемая Роскосмосом.

Еще одна перспективная технология — металло-композитные материалы, которые можно применить в составе микро-ЖРД: это многослойные композиции, полученные методом послойного вакуумного напыления. Например, микрокамера из молибдена и ниобия. Молибден — прочный, термостойкий, но очень хрупкий материал, ниобий — также термостойкий, не очень прочный, но весьма пластичный материал. Набирая от 16 до 18 слоев толщиной 15−20 микрон каждый, мы получаем композицию, которая работает при весьма высоких температурах, порядка 2100−22000С, и обеспечивает высокие массовые характеристики. Этот металлический КМ может рассматриваться как альтернатива материалам типа SiC-SiC, поскольку он дешевле и в ряде случаев перспективнее.

Расскажем и о композитах с металлической матрицей. По сравнению с традиционными титановыми или алюминиевыми сплавами удельная жесткость композита «бор-алюминий» выросла в три раза (правда, при увеличении цены примерно в десять раз). Тем не менее этот материал чрезвычайно перспективен для ферменных конструкций КА, там, где толщина, а следовательно, и масса конструкции определяются не прочностью, а устойчивостью. Уже сейчас такой композит серийно используется в разгонных блоках «Фрегат» НПО Лавочкина и DM-SL РКК «Энергия».

Конечно, трудно себе представить «ракету», состоящую практически полностью из неметаллических материалов. Тем не менее будущее за ними. На смену крылатым металлам приходят крылатые неметаллы.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№3, Март 2008).

Горючие

Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при pк/pа=7/0,1 МПадва серьёзных недостатканизкая стойкость личного состава к «отравлению»Группа углеводородов.КеросинА ведь находятся люди, которые им что только ни лечат!Pthirus pubis авария пассажирского самолётаСинтез синтина.Мухин, Велюров @Co.Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.«Где делают самые лучшие ракетные двигатели в мире»Теперь более корректным названием для горючих на основе керосина стал термин УВГ-«углеводородное горючее», т.к. от керосина, который жгли в безопасных керосиновых лампах И. Лукасевича и Я. Зеха, применяемое УВГ «ушло» очень далеко.нафтилНизкомолекулярные углеводородыМетанНПО «Энергомаш»РД-0120Водород

Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис».

Цели и задачи ракетно-космической отрасли РФ на текущий период

Главной целью государственной стратегии в сфере освоения космического пространства на современном этапе является создание экономически рентабельной и конкурентоспособной отрасли, обеспечивающей реализацию перспективных программ и гарантированное присутствие России в космосе в качестве ведущего игрока. Развитие научного потенциала и модернизация производственных мощностей должны обеспечить долю отечественной ракетно-космической техники на международном рынке до 15-18%.

В качестве приоритетов в обозначенном сегменте рассматриваются шесть основных направлений:

1. Разработка и производство систем и комплексов нового поколения, обеспечивающих по своим техническим параметрам реализацию перспективных программ. Сейчас ведутся работы по дальнейшему совершенствованию находящихся в эксплуатации ракетных комплексов, проектируются ракеты и разгонные блоки для выведения на околоземную орбиту пилотируемого корабля нового поколения. Помимо того, осуществляется разработка прорывных проектов по освоению дальнего космоса.
2. Окончательное формирование и развитие спутниковой группировки системы глобальной навигации ГЛОНАСС. Программа предусматривает поддержку устойчивой и надежной работы системы, а также поэтапную замену действующих спутников аппаратами нового поколения со сроком активного действия свыше 10 лет. Развитие системы включает совершенствование наземных элементов управления, разработку и производство навигационных приемников для массового пользователя, конкуренцию на мировом рынке, международное партнерство в сегменте спутниковой навигации.
3. Разработка и создание спутниковой группировки нового поколения для обеспечения всех видов связи на территории страны. Также предусмотрен вывод на околоземную орбиту аппаратов военного назначения для передачи данных в режиме реального времени.
4. Обеспечение гарантированного присутствия России на мировом космическом рынке посредством следующих действий: сохранение лидирующих позиций на рынке коммерческих услуг, обеспечивающих до 30% запусков; рост производства коммерческих космических аппаратов нового поколения, продвижение на мировой рынок уникальных технологий и технических компонентов ракетостроения; освоение производства высокотехнологичного оборудования для систем наземной спутниковой связи и навигации; модернизация российского сегмента МКС.
5. Оптимизация организационной структуры ракетно-космической отрасли. Для решения этой задачи планируется сформировать несколько крупных корпораций, обеспечивающих разработку и производство космических систем, предназначенных для решения экономических и оборонных задач.
6. Глобальная модернизация наземной инфраструктуры, включающая окончательный ввод в эксплуатацию космодрома «Восточный» в Приморье. Программа также предусматривает технологическое обновление предприятий ракетно-космической промышленности, что позволит значительно повысить эффективность производства и производительность труда.

Что такие крылатая ракета и какими они бывают

Крылатая ракета – это беспилотный летательный аппарат одноразового применения с аэродинамическими несущими поверхностями (крылом), двигателем и автономной системой наведения. Устаревшее название этого ЛА – самолет-снаряд.

Современные крылатые ракеты – весьма многочисленный и разнообразный класс ударных летательных аппаратов. В зависимости от дальности полета КР бывают.

• тактические (до 150 км);
• оперативно-тактические (от 150 до 1500 км);
• стратегические (от 1500 км).

По скорости полета крылатые ракеты делятся на:

• дозвуковые;
• сверхзвуковые.
• гиперзвуковые.

По типу базирования различают следующие виды КР:

• наземные;
• авиационные;
• корабельные.

Под давлением

Традиционное литье может составить конкуренцию спеченному порошку, если отливку потом обработать в газостате под давлением до 2000 атмосфер и при температуре до 12000С. При обычном затвердевании в форме металл усаживается, и в наиболее сложных местах деталей — в изменениях сечений и переходов — образуются микропоры. По этим местам и происходит разрушение. Обработка температурой и давлением в газостате позволяет приблизить свойства детали к идеальным. Вот данные 2003 года: в США 850 газостатов, в Европе 720, в Японии — порядка 400. К сожалению, в России лишь 24 газостата, и вот сейчас на ММЗ «Салют» прибавляется еще один, 25-й. А действуют из них всего четыре!

Эффект от обработки в газостате поразительный: усталостная прочность лопаток ГТД повышается наполовину; количество брака уменьшается в пять раз — с 50 до 10%! А стоимость всего одной литой турбинной лопатки — порядка пятисот долларов! Поверхности деталей, работающих на износ, при традиционных технологиях приходится дополнительно упрочнять. Обычно они азотируются, но тогда на поверхности получается плотный и хрупкий слой, который может скалываться. В газостате азотирование качественно иное — глубина слоя, насыщенного азотом, не 10−20 микрон, как раньше, а 1,5−2,5 мм. Поверхность по твердости вполне соизмерима с алмазом, далее идет плавный переход — никаких сколов поверхностного слоя, — а в глубине твердость, характерная для металла.

Из таких материалов в перспективе будут изготавливать турбины и прочие агрегаты двигателей, а вот корпуса и баки — из алюминий-литиевых сплавов второго поколения. Они намного дешевле сплавов первого поколения, лучше штампуются, гораздо лучше свариваются (можно вместо экзотической сварки трением использовать традиционную аргонно-дуговую) и содержат значительно меньше лития (что, кроме снижения стоимости, увеличивает стойкость к микротрещинам). «Композит» освоил малотоннажное производство Al-Li сплавов второго поколения — трубы и полусферы.

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.

По стопам

«Венера-4» помогла нам узнать, что на этой планете двести семьдесят один градус в тени (ночная сторона Венеры), давление до двадцати атмосфер, а сама атмосфера — девяносто процентов углекислого газа. А ещё этот космический аппарат обнаружил водородную корону. «Венера-5» и «Венера-6» многое поведали нам о солнечном ветре (потоки плазмы) и его структуре вблизи планеты. «Венера-7» уточнила данные о температуре и давлении в атмосфере. Всё оказалось ещё сложнее: температура ближе к поверхности была 475 ± 20°C, а давление выше на порядок. На следующем космическом аппарате было переделано буквально всё, и через сто семнадцать суток «Венера-8» мягко привенерилась на дневной стороне планеты. На этой станции был фотометр и множество дополнительных приборов. Главное — была связь.

Оказалось, что освещение на ближайшей соседке почти не отличается от земного — как у нас в пасмурный день. Да там не просто пасмурно, погодка разгулялась по-настоящему. Картины увиденного аппаратурой просто ошеломили землян. Помимо этого, был исследован грунт и количество аммиака в атмосфере, измерена скорость ветра. А «Венера-9» и «Венера-10» смогли показать нам «соседку» по телевизору. Это первые в мире записи, переданные с другой планеты. А сами эти станции и теперь искусственные спутники Венеры. На эту планету последними летали «Венера-15» и «Венера-16», которые тоже стали спутниками, предварительно снабдив человечество абсолютно новыми и нужными знаниями. В 1985 году продолжением программы стали «Вега-1» и «Вега-2», которые изучали не только Венеру, но и комету Галлея. Следующий полёт планируется в 2024 году.