Применение карбона в космической отрасли

Первые эксперименты по применению легких материалов в космосе начались еще задолго до запуска первого спутника Земли. В те далекие времена наиболее популярным легким и крепким материалом был дюралюминий. Из него и создавали корпуса космических аппаратов. Однако по мере открытия, исследования и усовершенствования углепластиков именно они стали понемногу заменять дюралюминий.

Так, первые композитные материалы в СССР были испытаны в 70-х годах прошлого века — когда тестировались проекты «Венера-15» и «Венера-16». А уже в 80-х дело встало на поток. Правда, имеется в виду не только строительство и запуск космических летательных аппаратов (ЛА), но и активные исследования свойств углепластиков. Ибо необходимость иметь собственный мощный ядерно-оружейный комплекс и проектирование центрифуг по обогащению урана для научных целей тоже послужило причиной обратить пристальное внимание на карбон. Поэтому некоторым предприятиям тогда пришлось осваивать его производство, а именно — ООО «Аргон» в Балаково и завод углеродных композитов в Челябинске. Как же это происходило?

Развитие эпохи карбона

На самом деле все подробности почти никому не известны. Ведь военно-промышленный комплекс по понятным причинам был не очень щедр на информацию в этом плане, так что об углепластике, его свойствах и применении, поначалу знали, главным образом, лишь специалисты. Однако характеристики карбона оказались настолько хороши, что молва о чудо-композите стала распространяться с опережающей скоростью в сравнении с темпами внедрения его в какие-либо другие сферы, кроме ВПК и атомной промышленности…

Но даже сегодня, когда кажется, что об углепластике уже всем всё понятно, он остается центром внимания для ученых. Причина тому — аэрокосмическая отрасль, в которую он продолжает проникать и которая опять является лидером по темпам развития несмотря на скупость огласки. И это понятно: стремление осваивать космос — это не только тяга к познанию, но и желание защитить свою Родину от угроз из космоса, которые сегодня не кажутся такой уж фантастикой. Может ли в этом помочь карбон?

Быстрее, выше, экономичнее

Сперва необходимо разобраться с поставленными задачами. А они всё те же: улучшить характеристики ракетно-космических ЛА с целью снизить эксплуатационные траты и количество необходимого топлива. А также:

• увеличить прочность, жесткость и устойчивость к вибрации;

• снизить вес;

• не допустить эмиссию газов материалов;

• повысить устойчивость к сверхвысоким и сверхнизким температурам, к магнитным волнам, а также радиации.

Можно ли тут отказаться от углепластика с имеющимися пока что у него недостатками, если при этом вес аппарата снижается на 10–15 %? Правильно — нельзя. Выгоднее вложить деньги в науку и технологии, чтобы преодолеть несовершенство карбона в жестких условиях космической эксплуатации. Возможно ли это? Попробуем разобраться.

Композиты для космоса

Итак, данная отрасль промышленности — не массовое производство, поэтому не так жестко регламентируется, как, например, самолетостроение. И сам материал для этой области, не говоря уж об изделиях из него, практически всегда создается под конкретный летательный аппарат с конкретными характеристиками. Причем используется тут не только карбон — применение в отрасли находят разные композиты и другие вещества. Ведь изделия для нужд космоса должны обладать разными параметрами. Некоторым нужно состоять из радиопрозрачных материалов (причем в каком-то определенном диапазоне), другим, наоборот, подобает экранировать радиоволны — и так далее.

Подобные задачи решаются выбором веществ и присадок согласно требованиям, предъявляемым к конечному изделию. При этом их испытание и тестирование остается обязательным этапом производства, даже если теоретические расчеты идеальны — ведь и задачи для космоса, как правило, не тривиальные.

Например, одна из ключевых проблем в этом деле долгое время заключалась в том, что обшивка летательного аппарата, который покидает Землю, сначала разогревается до нескольких сотен градусов в плотных слоях атмосферы, а после подвергается охлаждению до криогенных температур (к примеру, –270 °С). При этом одна часть корабля, направленная к Солнцу, нагревается, а противоположная так и остается холодной. Над этим работали практически все космические державы — и работают до их пор.

Еще один нюанс для космоса — эмиссия газов. Этот параметр вовсе не значителен для изделий, применяемых на Земле. Но вот для условий эксплуатации в открытом космосе способность материалов выделять газ — целая проблема. Этого нельзя допускать, поскольку газ при оседании на поверхностях чувствительных элементов приборов может навредить их работе (к таковым относятся электронные устройства, зеркала, линзы). Поэтому изготовители добиваются полной полимеризации материалов, исключающей наличие несвязанных молекул.

Кроме того, космические аппараты существуют не только в условиях вакуума и экстремальных температур, но и радиации, причем как солнечной, так и космических лучей. А радиация — враг не только для человеческого организма, но и для летательных аппаратов: их электроники и обшивки. Как уже показала практика, особенно чувствительными к радиации являются те легкие композитные материалы, которые состоят из углеволокна и эпоксидных смол в роли связующего вещества. Дело в том, что характеристики прочности на растяжение композита, главным образом, обеспечиваются прочностью самогó углеволокна. Прочие же механические параметры (прочность на сжатие и сдвиг) зависят от характеристик связующего. Как результат, карбоновое волокно практически не разрушается под воздействием радиации — чего не скажешь о связующем. Ионизирующее излучение разрушает традиционно используемые эпоксидные смолы, снижая прочность внешних и внутренних компонентов космических аппаратов.

Данная проблема породила поиск другого состава связующего, созданного на базе цианатных эфиров, что привело к получению новых композитов. Да, после ряда исследований, в том числе и практических, были получены новые углепластики, превосходящие своих предшественников по параметру радиационной устойчивости в 5 раз. Кстати, приятно осознавать, что, если раньше такие цианатные полимеры производились только в США и Великобритании, вскоре после введения санкций в этот список добавилась и Россия. Правда, такой прогресс не случился вдруг и стремительно — исследования активно проводились на протяжении последних десятилетий. Что же мы имеем в итоге?

Новейший сверхпрочный углепластик для космоса

В прошлом 2020 году в СМИ было опубликовано сообщение о том, что в нашей стране разработан сверхпрочный углепластик, малюсенькая пластинка которого размером 10 мм на 1 мм выдерживает нагрузку на растяжение в 2,5 тонны. При этом по сравнению с ранее используемыми композитами на основе эпоксидки показатель водопоглощения у него меньше в 30 раз, а показатель трещиноустойчивости лучше в 100!

Конечно, перспективы у такого материал очень высокие, поскольку ему пока нет равных по следующим параметрам:

• низкая влаго- и газопоглощаемость и газовая эмиссия;

• высокая термостойкость;

• сопротивляемость ионизирующему излучению + радиопрозрачность при высокой размеростабильности.

Такие углепластики на базе цианат-эфирного полимера полностью удовлетворяют самые жесткие требования авиакосмической отрасли. Более того — она не стала единственной областью, которая в них нуждается: практически везде, где оборудование может подвергаться высоким радиационным нагрузкам (такие как атомная промышленность или, скажем, физика высоких энергий), эти композитные материалы обязательно найдут свое применение.

Взгляд в будущее

Однако существующие успехи не остановили дальнейшие исследования российских ученых! Одним из заслуживающих внимание направлений стало изучение перспектив электронно-лучевой обработки с целью отвердить цианат-эфирное связующее. И ученые установили, что в результате такой обработки качество углепластиков еще больше возрастает, а процесс отверждения ускоряется. Для крупносерийного производства это является отличной перспективой.

Но и на этом точка в работе на космическую тему не ставится и, помимо доработки свойств карбона, современные ученые активно проводят исследования и поиск чего-то нового, анонсируя время от времени разные материалы, включая нано-трубки и вообще футуристические идеи, как например, водородная или гелевая оболочка для космических кораблей.

А что думает Илон Маск?

Это имя известно всему миру как имя главного космического мечтателя. Что же думает он насчет карбона для космоса?

В конце 2018 г. Илон объявил о том, что планирует переработать космический двигатель Raptor, заменив карбоновые компоненты на стальные. Аргументация заключалась в том, что этот материал лучше выносит экстремальные нагрузки космоса.

А летом 2020 года совершил посадку пилотируемый космический ЛА Crew Dragon, обозначив в набросках начало новой эры освоения Марса, идею колонизации которого оптимистично вынашивают в США. Crew Dragon состоит из компонентов, выполненных из разных материалов: углепластики, титан, легированная сталь и железоникелевый сплав Inconel.

Также, по начальному плану Маска, обшивка межпланетных челноков Starship тоже должна была производиться из карбона. Однако в 2019 году его планы поменялись и предпочтение вновь отдали нержавеющей стали. Аргументация состояла в том, что стоимость углеволокна слишком высока. А в силу сложности обработки стоимость еще более повышается, поскольку подчас приходится компилировать до 120 слоев. К тому же, при этом образуется до 35 % отходов. По этой причине композиты и заменили специальным стальным сплавом с высокой долей хрома и никеля в нем. Этот сплав имеет высочайшую прочность, устойчив к коррозии и влиянию высоких и криогенных температур. Его также несложно формовать и сваривать.

Но каким материалам будет отдано предпочтение в следующие разы, покажет лишь время.

Заключение

Сегодня к основным странам, устремившим свои помыслы в космос, помимо России, Китая и США, относятся Республики Индия и Иран, а также Арабские Эмираты. И, несмотря на то, что новые технологии не афишируются, можно предположить, что массовое покорение космоса и перспективы межзвездных путешествий станут реальностью гораздо быстрее, чем самые оптимистичные прогнозы ученых. Вот только будет ли использоваться карбон для освоения космоса, пока не известно. Скорее всего — да, ибо вопрос, скорее всего, только в снижении стоимости. А это не за горами.