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.

При входе в плотные слои атмосферы капсула или космический корабль самолетного типа испытывают сопротивление атмосферы, это интенсивные механические и тепловые нагрузки. Обшивка космических аппаратов раскаляется из-за аэродинамического нагрева, который происходит в результате торможения молекул воздуха вблизи корпуса летательного аппарата и кинетическая энергия относительного движения молекул воздуха переходит в тепловую. При полете на сверхзвуковых скоростях перед носовым обтекателем ракеты возникает ударная волна, в которой тормозятся молекулы воздуха. Торможение молекул сопровождается возрастанием тепловой энергии, то есть газ вблизи поверхности аппарата нагревается.

При достижении аппаратом скорости порядка 18 000 км/ч температура воздуха за ударной волной достигает таких значений, при которых начинается радиационный нагрев. Если прохождение плотных слоев атмосферы происходит на скорости, которая равна или меньше первой космической, то радиационный нагрев мал в сравнении с конвективным. При второй космической скорости значения конвективного нагрева и радиационного становятся близкими.

Для минимизации воздействия аэродинамического нагрева космические аппараты снабжают специальными системами теплозащиты. Специально разработанная для космических кораблей технология называется абляционной защитой. Как правило, спускаемые капсулы оснащены изогнутой экранирующей оболочкой, которая частично отражает ударную волну, возникающую при столкновении с молекулами воздуха, и тем самым снижает интенсивность нагрева. Весь корпус капсулы покрыт специальным составом на основе асбеста. Он устойчив к возгоранию, поэтому поверхность капсулы горит, но медленно. Толщина асбестового слоя рассчитана таким образом, чтобы времени его сгорания хватило для прохождения плотных слоев атмосферы.

Как правило, ресурсы и системы космического корабля рассчитаны только на одно использование: под новые задачи создают новые аппараты. Над вопросом создания многоразовых ракет в нашей стране задумались достаточно давно. На сегодняшний день единственным представителем отечественных многоразовых космических кораблей является «Буран», который совершил полет в 1988 году.

Из-за самолетного строения наиболее уязвимыми точками «Бурана» при аэродинамическом нагреве были носовой обтекатель и передние кромки крыльев, которые нагревались до 1400 °C. Под удар попадала и нижняя поверхность, которая испытывала на себе жар порядка 1100 °C.

Для успешной посадки такого космического корабля его необходимо защитить от воздействия плазмы и сохранить прочность, жесткость и геометрические параметры конструкции. Получается, разработанная для спускаемых капсул абляционная защита в не подходит, поскольку выгорает во время полета. С появлением идеи по созданию многоразового космического корабля появились углерод-углеродные композиты.

В «Буране» наиболее горячие части, носовой обтекатель и передние кромки крыльев, выполнены из углерод-углеродного композита под названием гравимол, способного выдерживать температуры вплоть до 1600 °C. В качестве матрицы композита выступали фенольные связующие, а в качестве наполнителя — углеродные ткани. Это позволяло формовать крупногабаритные детали сложной конфигурации. После уплотнения пористой структуры углепластиковые детали подвергали жидкофазному силицированию, при котором жидкий кремний проникал в углеродную матрицу, взаимодействовал с ней и образовывал карбид кремния. Именно карбид кремния обеспечивал стойкость к окислению на воздухе при высоких температурах. Для дополнительной защиты на изделия наносили слой оксида кремния-кварца.

Теплозащита корпуса «Бурана» состояла из отдельных элементов — черных и белых плиток из особо чистых пустотелых кварцевых волокон с защитными покрытиями. Черные плитки имели высокую излучательную способность и защищали нос, крылья и нижнюю часть планера от интенсивного аэродинамического нагрева, белые плитки во время орбитального полета минимизировали нагрев верхней части от солнечного излучения.

Теплозащита «Бурана» уникальна. В ходе его единственного полета из 37 500 плиток теплозащиты лишь 6 были утеряны и около 100 повреждены при посадке.

В XXI веке ученые и конструкторы не отказались от идеи сделать космические корабли многоразовыми. Наоборот, они стали разрабатывать новые концепции. Одна из таких концепций предполагает создание корабля по типу сверхзвукового самолета: замена «затупленных» передних кромок крыльев на острые уменьшит радиус их скругления с 20−30 до нескольких сантиметров. Это сведет к минимуму аэродинамическое сопротивление и повысит маневренность аппарата. Но тогда возникает проблема с нагревом носового обтекателя и острых кромок крыльев до 2000−2500 °С: так встал вопрос о создании материалов, способных выдержать температуры выше 2000 °C.

На помощь пришла сверхвысокотемпературная керамика, важный конструкционный материал в XXI веке. Если соединить тугоплавкие металлы из IV и V групп таблицы Менделеева, например гафний, цирконий, тантал, ниобий и другие, с углеродом, азотом или бором, мы получим целый класс материалов — сверхвысокотемпературные керамики. Бориды, нитриды, карбиды переходных металлов и более сложные соединения, такие как карбонитриды и двойные карбиды, обладают уникальным набором свойств. Для них характерны высокая прочность, возрастающая при температурах выше 1600 °C, высокая термостойкость и радиационная стойкость, а также чрезвычайно высокие температуры плавления — выше 3000 °C. Это самые тугоплавкие соединения на нашей планете.

Защитные покрытия на основе сверхвысокотемпературных керамик наносят на изделия из углепластиков. Так, смесь борида циркония и карбида кремния под воздействием плазмы формирует на поверхности композита защитный слой, препятствующий окислению и разрушению материала при 2500−3000 °С. Работа с такими температурами — это безусловный прорыв в материаловедении и приближает к реальности мечты фантастов о многоразовых космических кораблях.