Металлы в космическом вакууме
Живя на уютной Земле, мы редко задумываемся над тем, какое место занимает наша планета во всей вселенной и что представляет собой солнечная система. Но уже начавшаяся космическая эра настоятельно побуждает нас, в том числе и тех, кто непосредственно не связан с космонавтикой, обращать свои мысленные взоры за пределы Земли. И что же мы видим?
Сразу же за тонкой земной атмосферой начинается бездна космоса. Планеты, их спутники и даже звезды — совсем крохотные образования вещества по сравнению с этой бездной почти абсолютной пустоты.
Представим себе солнечную систему, уменьшенную в 2 миллиарда раз. Диаметр ее составит всего четыре с половиной километра. Огромное Солнце станет небольшим шаром диаметром 70 сантиметров, а планеты будут еще меньше. Меркурий и Марс превратятся в зернышки, Земля и Венера — горошины. Уран и Нептун покажутся грецкими орехами, а гигантские Сатурн и Юпитер — яблоками средней величины. Отделять эти зернышки и горошины друг от друга будут многие десятки и сотни метров пространства. Расстояние же между Ураном и Нептуном, самыми удаленными от Солнца планетами, которые на нашей уменьшенной модели выглядят грецкими орехами, достигнет почти километра.
Таким образом, на пространстве в 16 квадратных километров будут размещены несколько зернышек, горошин, орехов и яблок, а также золотистый шар, достигающий размеров мяча, которым играют в мотобол. Вот и все, что приходится на долю вещества, остальное занимает космическое пространство.
Картина солнечной системы, образно нарисованная Константином Эдуардовичем Циолковским, помогает отчетливо представить громаду космоса и наше очень скромное место в нем. Но, несмотря на столь, казалось бы, незаметное положение, люди уже начали великий штурм мироздания, посылая плоды своего разума и творения своих руд как к ближайшим, так и отдаленным космическим объектам. Аппараты, созданные на Земле, достигают не только Луны. Но и Венеры, Марса, Юпитера.
Если до Луны корабль летит всего трое суток, то время достижения Венеры и Марса измеряется уже многими месяцами, а полет к Сатурну и Юпитеру занимает годы. Между тем космическое пространство — не слишком уютно для путешествий. Там царит ледяной холод, но сторона корабля, повернутая к Солнцу, сильно нагревается. Такие температурные контрасты действуют самым отрицательным образом на материалы, из которых изготовлен космический аппарат.
Не идут на пользу кораблю и частицы космической пыли, щедро рассыпанной по всему пространству вселенной, через которую летательному аппарату нередко приходится ”проди- раться”. Вредна и космическая радиация. Казалось бы, чем может вредить пустота — космический вакуум, огромнейшее безвоздушное пространство? А между тем, вакуум далеко не безобиден.
Эксперименты, проведенные учеными, помещавшими самые различные металлы в специальную вакуумную камеру, позволили обнаружить любопытные факты. В камере искусственно создавали разрежение, соответствующее тому, которое царит на расстоянии 800 километров от поверхности Земли. И оказалось, что глубокий вакуум действует на металлы очень своеобразно: кадмий, цинк, магниевые сплавы . .. закипают и испаряются, многие другие металлы, хотя и в меньшей степени, но тоже начинают терять свои собственные атомы. Самыми устойчивыми в вакууме оказались сталь и титан, а также вольфрам и платина. Менее устойчив, но еще достаточно надежен алюминий. Остальные металлы мало пригодны для эксплуатации в открытом космосе.
Эти эксперименты были проведены сравнительно недавно — уже после того, как титан стали применять в космической технике. Тогда, разумеется, не знали, что новый металл очень устойчив в вакууме, но и без того у титана имелось немало достоинств, которые и определили быстрый рост его применения в космической технике.
С каждым запуском кораблей серии "Аполлон” в межпланетное пространство стартовали более 60 тонн титановых сплавов. Узлы и детали из сплавов титана использовались не только в самом корабле "Аполлон”, но и в лунном модуле, и в трехступенчатой ракете-носителе ”Сатурн-5”, которая выводила космических путешественников на траекторию полета к Луне.
На космическом корабле ”Аполлон” насчитывается около сорока титановых емкостей, предназначенных для хранения химически активных веществ, входящих в состав горючего. В частности, в титановых баках хранятся монометилгидразин, используемый как топливо, тетраксидазот, применяемый в качестве окислителя, и жидкие газы — кислород, водород, азот и гелий. Воздух, который служит для вентиляции кабины в космических полетах, содержится в титановых цилиндрах под давлением, превышающим 200 атмосфер.
В лунном модуле, опускавшемся на пыльную поверхность нашего естественного спутника, из нового конструкционного материала изготовлена камера сгорания жидкостного ракетного двигателя. В гигантской ракете ”Сатурн-5” сосуды высокого давления и лопасти стабилизаторов тоже из титана.
Корпус ракеты ’Титан-П”, которая выводила на околоземную орбиту космический корабль ”Джеминай”, высотой 27 метров и диаметром 3 метра был изготовлен из титана с использованием некоторого количества сплавов на основе алюминия и магния. Кабины космических кораблей ”Джеминай” и ”Мер- курий” почти полностью были сделаны из титана.
Титановые сплавы были успешно использованы для корпусов двигателей американских космических кораблей "Пионер^”, ”Юнона-2”, ”Юпитер-С”. Новый промышленный металл применяется и в установках для запуска ракет.
Титан — металл, который в немалой степени обеспечил и обеспечивает многие отечественные достижения в освоении космического пространства.
Сегодня космические перевозки уже не фантастика, а реальность. Но стоят они фантастически дорого: перевезти один килограмм вещества с Луны на Землю обходится более 1000 дол ларов. Отсюда понятно, насколько важно поставлять для орбитальных и лунных станций, монтируемых непосредственно в космосе, конструкционный материал, который был бы высокопрочным и вместе с тем не слишком плотным. Таким материалом как раз и является титан. Металл не только сохранит в космосе все свои достоинства, но и лишится некоторых присущих ему недостатков.
Например, в межпланетном пространстве значительно упростится сварка титана: не надо будет защищать металл от взаимодействия с воздухом, так как такового в космосе попросту нет. Сваривается же титан отлично. При испытаниях сваренного образца на прочность гораздо чаще случается так, что разрывается основной металл, а не сварной шов.
Но возможна ли сама по себе сварка в условиях невесомости? Предстояло проверить это на практике. Оказалось, что в космосе металлы свариваются так же надежно, как и на Земле. Успешные эксперименты по автоматической сварке и резк
етитана в межпланетном пространстве провели в октябре 1969 года советские космонавты Г.С.Шонин и В.Н.Кубасов во время группового полета трех космических кораблей "Союз”.
Самая первая экспедиция на Луну доставила с нашего естественного спутника образцы пород с очень большим содержанием титана. Впоследствии оказалось, что ”Аполлон-11” совершил посадку в районе титанового месторождения. Образцы лунного грунта, доставленные советскими автоматическими станциями и другими американскими кораблями, были взяты в иных местах нашего естественного спутника и содержали уже гораздо меньше титана. Но даже и это”низкое” содержание значительно превосходит процент содержания элемента в земной коре. Итак, Луна богата титаном. Запомним это. И обратим внимание на то, что уже не первый год (и не только в научно-фантастической литературе, но и в самой что ни на есть серьезной печати) появляются материалы, рассказывающие о перспективах космической металлургии, о неизбежном ее возникновении и ее преимуществах.
Предполагают, что энергию для металлургических предприятий будущего дадут солнечные нагреватели. Сфокусированные солнечные лучи будут плавить любые соединения и самые тугоплавкие металлы. Космический вакуум намного упростит технологию получения целого ряда металлов, в том числе и титана.
Теперь давайте немного помечтаем. Перенесемся в XXII . . . нет, вероятно, ближе — в XXI век. Луна уже обитаема. Здесь живут и работают люди, исследуют космическое пространство и недра нашего спутника, ведут самые разнообразные работы. Вряд ли сюда будут возить с Земли основные материалы для строительства — намного дешевле и целесообразней добывать их прямо на месте
.В отношении металлов очень сомнительно, что для создания объектов, находящихся в безвоздушном пространстве, будут использовать платину или вольфрам. Значит, остаются только сталь, титан и алюминий. Но сталь плохо переносит космический холод, алюминий же не настолько прочен, чтобы конкурировать с титаном. К тому же, будет ли он найден на Луне? Неизвестно. А титан обнаруживают на каждом "обжитом” участке лунной поверхности. Так что, по всей вероятности, именно титан будет основным конструкционным материалом для сооружений, изготовляемых и монтируемых непосредственно в космосе. Титановые заводы, работающие в идеальном вакууме, будут производить гораздо более дешевый металл, чем если бы они работали на Земле. Титану найдется очень много дел в межпланетном пространстве, и сейчас даже трудно представить себе будущее этого металла во всей полноте. Можно только с уверенностью сказать, что будущее это — большое и прекрасное. Титан хорошо послужит людям в завоевании космоса.
Проект крылатого космического корабля «Dyna-Soar»
Проект крылатого космического корабля «Dyna-Soar» В октябре 1957 года, менее чем через неделю после того, как советские ракетчики вывели на орбиту первый искусственный спутник Земли, состоялось совещание представителей НАСА и ВВС США, созванное исключительно для обсуждения
Проект NASA двухступенчатого космического корабля
Проект NASA двухступенчатого космического корабля Проанализировав различные варианты аэрокосмических транспортных систем, специалисты Центра имени Дж. Маршалла пришли к выводу, что разработка такой системы с тягой в 1360–2300 тонн может быть начата в 1968 году. Один из
Ударные системы космического базирования
Ударные системы космического базирования Изучая труды пионеров ракетостроения и перечитывая старые научно-фантастические романы, легко увидеть, что космическое пространство стало рассматриваться как потенциальная область военных действий задолго до того, как
Проект космического лифта НАСА
Проект космического лифта НАСА Понятно, что потребность в таком циклопическом сооружении, как ОТС, возникнет еще очень нескоро, если вообще возникнет. А вот о сокращении затрат на космическую транспортировку следует думать уже сегодня, и в этом смысле космический лифт
Оператор Пространства-Памяти
Оператор Пространства-Памяти У Времени было прошлое, которое прошло, будет грядущее, которого ещё нет. Что же такое настоящее? Миг между прошлым и будущим? Есть ли в таком случае само Время?«Первое условие бессмертия — смерть», — пошутил Станислав Ежи Лец.Поступая по
Операторы кванта-скачка Пространства и Времени. Дискретность и непрерывность
Операторы кванта-скачка Пространства и Времени. Дискретность и непрерывность «Конструирование смысла» переходом к противоположностям, несмотря на вольность первоначального обозначения, и является основой всей структуры Диала как языка с самого низа (интонации и ритм)
Глава 32 Строение Пространства – Времени
Глава 32 Строение Пространства – Времени «Действие есть кривизна Мира» Павел Дмитриевич Успенский, 1911 год Мы уже предполагали аналогии квантового строения микромира и макромира, при определенных условиях. Далее, будет показаны законы резонансного строения нашего
Специальный (Ad Нос) комитет по использованию космического пространства в мирных целях
Специальный (Ad Нос) комитет по использованию космического пространства в мирных целях В 1958 г. США сделали еще одну попытку выделить освоение космического пространства из общего контекста отношений, отмеченных печатью холодной войны. Они предложили организовать
Постоянный комитет по использованию космического пространства в мирных целях
Постоянный комитет по использованию космического пространства в мирных целях Несмотря на негативную позицию советского правительства, Вашингтон продолжал лоббировать идею создания постоянного Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях. В
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОСВОЕНИЯ ГЛУБИНЫ
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОСВОЕНИЯ ГЛУБИНЫ Первым сведениям о морских глубинах мы обязаны прежде всего водолазам-ныряльщикам. Еще в древности отдельные ныряльщики могли погружаться на глубину 30–40 м и находиться под водой 1–3 мин. Их водолазным снаряжением были
ИТОГИ 2007 КОСМИЧЕСКОГО ГОДА
ИТОГИ 2007 КОСМИЧЕСКОГО ГОДА Александр ЖЕЛЕЗНЯКОВ, член-корреспондентРоссийской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, специально для журнала «Взлёт» Может кто-то и не согласится со мной, но 2007 г. я хочу назвать знаковым для мировой космонавтики. И не только потому,
2.2. Цифровой автопилот космического корабля Apollo
2.2. Цифровой автопилот космического корабля Apollo Впервые в условиях пилотируемого космического полета цифровой автопилот (ЦАП) был применен на космическом корабле Apollo.Анализ результатов полетов кораблей Apollo с ЦАП показывает хорошее совпадение прогнозируемых и
Характеристики космического корабля Apollo
Характеристики космического корабля Apollo Динамические характеристики корабля Apollo существенно отличаются от характеристик основного блока, поэтому потребовалась разработка двух самостоятельных программ для ЦАП, управляющего обоими аппаратами. Основные различия
Что происходит с металлом в космосе?
Общеизвестный факт – металл в атмосфере нашей планеты подвержен окислению (реакция взаимодействия с кислородом). Любой кусок металла в атмосфере Земли покрывается тонким слоем окисления и этот слой является как бы защитной пленкой. Но что произойдет с металлом в космическом вакууме?
Если в космическом пространстве два куска металла приложить один к другому, то без защиты окисленного слоя атомы металла начнут активно взаимодействовать друг с другом, и в итоге два рассматриваемых куска металла просто склеятся друг с другом.
С учетом этого факта инструменты для космонавтов, которыми они пользуются в открытом космосе, покрываются защитным пластиковым покрытием. Это реальный факт. Но стоит отметить, что если взять в космос инструмент с Земли, то он уже имеет защитную пленку, полученную в результате естественного окисления. А значит к другому металлическому предмету такой инструмент уже не прилипнет.
Американские ученые экспериментировали с различными металлами, помещая их в вакуум. Целью этих опытов было выяснить, что происходит с металлами в космическом пространстве. Условия вакуумной камеры соответствовали условиям пространства на уровне 800 километров над поверхностью Земли. В результате этих опытов ученые выяснили интересные факты:
- Некоторые металлы, а именно сплавы магния, цинк, кадмий просто испарились
- Самая высокая устойчивость к указанным условиям оказалась у платины, вольфрама, титана и стали
- Срок службы металлов в условиях космоса возрастает в разы. Причиной такого эффекта ученые посчитали все то же отсутствие кислорода в космическом вакууме. Отсутствие кислорода, по мнению ученых, способствует «затягиванию» микротрещин на поверхности металлических предметов.
В связи с фактом увеличения срока службы металлов в космосе многие дальновидные исследователи размышляют о космической металлургии. Ученые занимаются исследованием возможности добычи и производства металлов на Луне. Конечно, это не простая задача, — условия на Луне таковы, что при 700-900 0 С твердое железо перейдет в газообразное состояние.
Специалисты в области физики считают, что необъятная Вселенная может стать прекрасным источником добычи металла. Источниками могут быть не только Луна, но и любые космические тела, такие как астероиды и метеоры. А в бескислородных условиях космоса возможно будет оптимально применить новейшие технологии обработки металлов.
В условиях же нашей планеты, как говорилось выше, металлы подвержены окислению. И этот процесс отнюдь не приносит пользы металлическим изделиям в долгосрочной перспективе. Результатом окисления поверхности металла становится коррозия. Коррозия проявляется в разных вариантах, самый яркий пример коррозии – это ржавление.
Одним из популярных и востребованных способов борьбы с коррозией является лазерная очистка. Этот метод отличается высокой эффективностью и используется для очистки металлических поверхностей от разных загрязнений – окислов, пятен, краски, ржавчины и т.п.
Важные преимущества лазерной очистки:
- Лазерная очистка не меняет эксплуатационные свойства металлического изделия,
- Это экологичный способ обработки, который не требует никаких расходных материалов,
- Лазер позволяет очищать детали любой, даже самой сложной геометрической формы.
Мастера нашей компании имеют большой опыт очистки металла лазером. Чтобы заказать услугу лазерной очистки оставьте заявку на нашем сайте.
Еще один способ повысить долговечность и износостойкость изделия – это закалка металла. Подробнее смотрите на нашем сайте
В ГЛУБИНЫ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Почему металлы сами привариваются друг к другу в космосе?
Недавно подписчик нашего канала задал нам такой вопрос:
Как работает холодная сварка в космосе?
Вопрос действительно интересный, ведь многие даже не знают, что это за сварка и уж тем более как она работает. Те, кто даже знает об этом эффекте, считают его одной из самых больших проблем освоения космоса. Но почему? Давайте решим это вместе.
Проблемы от холодной сварки
В 1991 году автоматический космический зонд НАСА «Галилео», запущенный для исследования Юпитера и его спутников, во время полета столкнулся с проблемой. Его антенна просто не могла открыться полностью. Три из восемнадцати ребер отказывались раскрываться. Все, что пытались сделать ученые, было бесполезно, поэтому для передачи данных использовалась другая антенна меньшего размера.
Ученые считают, что эта проблема частично связана с холодной сваркой.
Летом 1965 года первый американец, отправившийся в открытый космос, Эд Уайт по возвращении в космический корабль столкнулся с большой проблемой: люк не хотел закрываться. Уже после применения экипажем грубой физической силы люк был закрыт. План состоял в том, чтобы снова открыть его и избавиться от оборудования, использованного во время выхода в открытый космос, но экипаж опасался новой проблемы с люком.
Был ли это действительно холодный сварной шов, неизвестно, но риск возникновения такой проблемы действительно есть.
Что такое холодная сварка?
Прежде чем мы разберемся с этой проблемой, давайте подробнее рассмотрим, что это такое. Так вот, оказалось, что этот вид сварки известен человечеству с древних времен. Согласно археологическим находкам, эти технологии часто использовались с древних времен.
А в 18 веке были проведены первые задокументированные эксперименты с этим эффектом. Еще в середине 20 века ученые всерьез заинтересовались холодной сваркой и обнаружили, что некоторые металлические поверхности слипаются при соприкосновении в вакууме. Это дает невероятно сильную связь на атомном уровне.
Причина этого кроется в самом атомном строении металлов. В узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, а между ними много свободных электронов, которые могут перемещаться по всему куску металла. Из-за этого в условиях вакуума и идеально чистой поверхности металлических кусочков при контакте электроны из одного куска могут переходить в другой, притягивая за собой кристаллические решетки. В результате решетки практически сливаются друг с другом и таким образом образуется сплошная кристаллическая решетка.
В атмосферных условиях на поверхности металла образуется оксидный слой, препятствующий холодной сварке.
Как это предотвратить в космосе?
Чтобы избежать холодной сварки в космосе на космических кораблях стараются использовать материалы, не подходящие для холодной сварки. Если материалы подвержены такому воздействию, на них наносится специальное покрытие, снижающее вероятность холодной сварки.
На движущиеся металлические поверхности наносится специальная смазка, снижающая трение, износ и вероятность холодной сварки.
Кроме того, этот эффект имеет и положительные стороны, ведь холодная сварка часто применяется в нанотехнологиях, ракетостроении, машиностроении и даже в производстве бытовой техники.
Автор: Алексей Нимчук. Монтаж: Федор Карасенко
Недурно, чтобы в вашей ленте было больше места и научных статей!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в Telegram и YouTube. Там вы сможете прочитать много интересных материалов, а также задать свой вопрос. Вы можете поддержать наш канал финансово через Patreon.
Читайте также: