Механизмы летательной машины в момент старта работают с невероятно высокими тепловыми, вибрационными и механическими нагрузками. В ракетных двигателях преобразуется огромное количество энергии. Исторгаясь из реактивных сопел, поток тепловой энергии воздействует прежде всего на детали космического корабля. И чем больше мощность двигателей, тем необычнее условия для материалов летательных аппаратов.
Во время взлета и при пробивании плотных слоев воздуха обшивка корабля разогревается до сотен градусов [23]. Раскаленные стенки космических кораблей обтекаются потоком газа, распадающегося от сжатия на отдельные атомы. Ясно, что взаимодействие металла с таким газом будет отличаться от их взаимодействия в условиях обтекания тела обычным воздухом. Чтобы узнать, как поведут себя раскаленные металлы во внеземной обстановке, надо поставить немало опытов.
Еще более необычной будет для материалов окружающая среда в момент обратного входа межпланетного корабля в атмосферу Земли. В результате торможения аппарата большая часть энергии его движения перейдет в тепло. Молекулы воздуха в пограничном слое разрушатся, а осколки — электроны, ионы и ядра атомов-образуют плазму. Соприкасаясь с кораблем, плазма чрезвычайно сильно нагреет его стенку. Корабль на некоторое время окажется в своеобразном огненном мешке. Даже короткое пребывание в нем оставит на летательном аппарате глубокие следы.
Стойкость стенок корабля в этих условиях будет во многом зависеть от качества материала обшивки.
В последние годы в ряде стран широко применяется очистка металлов и сплавов от газов методом плавки в вакууме. Когда над ванной с расплавленным металлом создают безвоздушное пространство, металл начинает бурно «кипеть» — из него выходят газы.
Теперь представьте себе, что носовой конус космического корабля сделан из сплава, содержащего в себе большое количество растворенных газов. При входе в верхние слои атмосферы, где имеется такой же вакуум, как и над ванной в электропечи, сплавившийся носовой конус буквально закипит, освобождаясь от газов. Ясно, что оболочку аппарата лучше изготовлять из материалов, свободных от растворенных газов. Тогда конус будет оплавляться спокойнее и дольше выдержит высокий нагрев.
Но не только вакуум и резкие смены температур характерны для условий космоса. За пределами атмосферы межпланетный корабль попадет под ливень космических частиц — ядер водорода. Зонтом для космонавта от этого ливня явятся прежде всего стены корабля. Но насколько прочными они будут при длительною облучении? Считается, что особенно сильно космическая радиация влияет на полимерные синтетические вещества, прозрачные пластмассы, резину и на некоторые другие материалы.
А ведь именно такие эластичные металло-органические материалы и предполагается употреблять для изготовления возвращаемых спутников, способных изменять свой объем — «надуваться» для того, чтобы при входе в атмосферу быстро уменьшить скорость.
Материалы, из которых будут изготовлять корпус межпланетного корабля, помимо всего прочего, должны надежно предохранять экипаж от космического вакуума, хорошо противостоять истиранию при бомбардировке обшивки космической пылью и даже выдерживать удары небольших метеоров.
Какие же материалы окажутся самыми стойкими в этих необычных условиях [24, 25].
Жаропрочные сплавы
Среди химических элементов таблицы Д. И. Менделеева имеются металлы, которые плавятся уже при температуре около 3 °C. Но в то же время есть группа тугоплавких металлов, для плавления которых требуется температура 300 °C и выше.
Ясно, что строительные материалы для будущих космических кораблей должны быть или очень теплоемкими, или тугоплавкими. К ним 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 температуре 1315 °C. Но это очень легкий по весу и в то же время прочный металл. Он в пять раз легче меди. Жесткость и прочность его мало изменяются при нагреве до 65 °C. Бериллий обладает большой теплопоглощающей способностью. Каждый килограмм его способен поглотить тепла в 15 раз больше, чем такой тугоплавкий металл, как платина. Эти свойства, по мнению некоторых специалистов [24], и позволяют использовать бериллий для постройки корпусов и теплопоглотительных экранов будущих космических кораблей. Интерес к бериллию во многих странах быстро растет. В 1958 году в США было произведено 48 т этого металла, в 1959 году-уже около 120 т. Через несколько лет планируется [24] повысить производство бериллия до 5000 т. Металлурги и технологи стремятся увеличить пластичность этого металла, металловеды изыскивают способы очистки его от примесей.
Бериллий очень дорогой металл. Дороговизна его объясняется не только трудностью получения, но и ограниченностью месторождений бериллиевых руд.
Большое будущее ученые предсказывают редкому металлу ниобию. Его выплавка растет из года в год. В 1958 году в США было произведено 12 т ниобия, в 1959 году-20 т, в 1961 году предполагается произвести 60 т и в 1970 году-8000 т.
Удельный вес ниобия почти такой же, как и меди. Однако этот металл плавится при температуре около 250 °C. В убывающем ряду тугоплавких металлов ниобий занимает пятое место. Считают, что ниобий сохраняет прочность при температурах до 140 °C. А обычные стали, из которых строятся современные «земные» машины, при таких температурах начинают плавиться.
Широкое применение ниобия в настоящее время ограничено прежде всего его высокой стоимостью. Кроме того, пока еще несовершенны методы получения ковкого ниобия. К тому же при высоких температурах (выше 110 °C) он быстро окисляется. Однако последний недостаток ниобия как строительного материала для космических кораблей не снижает его ценности, так как сопротивление ниобия окислению можно повысить, вводя в состав сплава такие химически стойкие металлы, как тантал.
Чистый ниобий-очень пластичный металл. Пруток диаметром менее 20 мм прокатывается без всякого нагрева в фольгу толщиной в папиросную бумагу. Прочность ниобия при температурах, когда обычная сталь становится мягкой, как воск, изменяется незначительно. Все эти ценные качества выдвигают ниобий в первые ряды жаропрочных материалов.
Редкий металл тантал — один из самых тугоплавких элементов. Он переходит в жидкое состояние при 3027 °C. Это серебристо-белый металл, тяжелее меди в два раза. По цвету тантал похож на платину, а сплавы тантала с медью не только по цвету, но и по химическим свойствам напоминают золото.
Наиболее характерной особенностью этого элемента является его необычайно высокая устойчивость против воздействия различных кислот и щелочей. Даже смесь соляной и азотной кислот, так называемая «царская водка», в которой растворяются золото и платина, не оказывает заметного действия на тантал. Но хотя тантал в обычных условиях и не ржавеет, он подобно другим жаропрочным металлам при высоких температурах нуждается в защите от окисления.
В 1958 году в США было получено около 200 т тантала [24]. Полагают, что через несколько лет вследствие усовершенствования технологии его производства тантал станет вдвое дешевле.
Большой интерес проявляют специалисты к танталовольфрамовому сплаву, содержащему около 7 процентов самого тугоплавкого металла — вольфрама. Этот сплав способен противостоять температурам до 190 °C. Другой танталовый сплав, содержащий 10 процентов вольфрама, пригоден для изготовления сопел ракетных двигателей.