кандидат технических наук, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы», Университет МИСИС;
лауреат премии Правительства Москвы* молодым ученым в номинации «Технические и инженерные науки».

*Премия Правительства Москвы каждый год вручается молодым ученым столицы за выдающиеся результаты фундаментальных и прикладных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, содействующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы.

Часто кажется, что космос — это спокойное место, единственная проблема которого — отсутствие воздушной среды. Но это не так. Одной из главных опасностей является невидимая космическая радиация, которая может навредить космонавтам и со временем вывести из строя даже самое современное оборудование. Химическим составом, структурой и свойствами материалов занимается материаловедение. В ракетно-космической технике применяется достаточно ограниченное число материалов.

Возможность попасть в ту или иную область космического пространства определяет космическая скорость. Например, если мы хотим вывести аппарат на околоземную орбиту, сделав спутником Земли, ему необходимо сообщить первую космическую скорость, это порядка 28 тысяч километров в час. Для этого первые ступени ракеты-носителя должны развить скорость порядка 6−14 тысяч километров в час. Чем легче материал аппарата, тем большую скорость он сможет развить. Однако легкость — это не единственный параметр, который нужно учитывать при выборе материала для использования в космосе.

Любимец авиаконструкторов и металл № 1 в ракетостроении — алюминий. Его еще называют крылатым металлом. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но при этом не очень прочен, поэтому в конструкциях летательных аппаратов используют его сплавы.

Второе место в ракетостроении занимает железо в виде разнообразных высокопрочных типов нержавеющей стали. В сравнении с алюминиевыми сплавами у стали есть ряд преимуществ: она жестче, лучше переносит вибрацию и воздействие высоких температур, к тому же большинство марок стали дешевле. Конструкции из нержавеющей стали выдерживают космические перегрузки и не деформируются, при этом получаются компактными и легкими. В отечественных ракетах из нержавеющей стали делают корпуса двигателей.

Наглядный пример превосходства стали — конструкция разгонного блока «Центавр» (NASA). Толщина его стенок составляет полмиллиметра, это чуть толще лезвия бритвы. Чтобы массивный разгонный блок высотой порядка 13 метров и диаметром в 3 метра не сминался под собственным весом, в него закачивают газ. Фактически его надувают как шарик, чтобы искусственно созданное внутреннее давление поддерживало форму.

На третьем месте по частоте использования в ракетостроении — медь. Дорогая, тяжелая, легкоплавкая и мягкая, медь имеет высокую теплопроводность, что делает ее уникальной. Ее теплопроводность в 30−40 раз больше, чем у нержавеющей стали. Теплопроводность — это важное качество, нужное для двигателей ракет. Способность быстро отводить тепло особенно требуется в самом сердце ракеты — двигателе.

На фото или видео, где ракету везут на стартовый комплекс, можно увидеть красивый медный цвет сопел двигателя: внутренняя стенка ракетного двигателя, которая выдерживает жар в 3 тысячи градусов Цельсия, сделана из хромистой бронзы — сплава меди и 0,8% хрома.

Если температура плавления хромистой бронзы в три раза ниже рабочей температуры сопла, то почему не плавятся стенки двигателя? Для этого недостаточно отводить тепло куда-то, например в стальной корпус двигателя. Необходимо создать внутреннюю прослойку, которая забирала бы на себя тепло от сгорающего топлива. В современных двигателях во внутренней стенке делают узкие каналы, служащие рубашкой охлаждения. По этим каналам циркулирует охлажденное топливо. Оно охлаждает стенки двигателя, а само при этом нагревается за счет тепла, переданного бронзовыми стенками сопла. Таким образом, хромистая бронза за счет своей способности быстро передавать тепло сама не перегревается и спокойно выдерживает интенсивные тепловые нагрузки.

Вопреки распространенному мнению, титан применяется в ракетостроении выборочно. Его сложно обрабатывать, поэтому в основном его используют при изготовлении баллонов высокого давления. Но серебро, которое привычно воспринимается как драгоценный металл, напротив, играет важную роль в конструировании: например, его используют для создания жидкостных реактивных двигателей. С его помощью соединяют между собой стальную и медную части камеры сгорания.