Юрий Щетинин: «Алюминий есть практически во всех элементах вертолета» Корректно ли сегодня называть алюминий крылатым металлом?
Применение алюминия в авиапроме. Корректно ли сегодня называть алюминий крылатым металлом?...
Алюминий в космосе!
Первый искусственный спутник Земли весил всего 83,6 кг, из которых около 20 кг приходилось на корпус из алюминиево-магниевого сплава. Сегодня спрос на алюминиевые полуфабрикаты в мировой аэрокосмической отрасли составляет 33,5 тысяч тонн. К 2030 году эта цифра возрастет до 59 тысяч тонн. С чего начинался полет алюминия в космос, какое применение находит металл в космической отрасли на протяжении 64 лет, и, наконец, как он поможет в колонизации Марса – эти темы сегодня в фокусе внимания «Алюминиевого Вестника».
Изменил мировоззрение миллионов
Алюминий – это металл, который позволяет человеку двигаться с высокой скоростью, переплывать океаны, подниматься в небо и покидать пределы нашей планеты.
В космонавтике сочетание минимальной массы с максимальной прочностью играет важную роль. Вот почему корпус первой отечественной ракеты на жидком топливе, запущенной в 1933 году, был сделан из дюраля толщиной 0,5 мм. Полет снаряда стартовой массой 19 кг длился 18 секунд – за это время она пролетела около 400 метров.
В октябре 1957 года СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли – «ПС-1». Корпус спутника состоял из двух силовых полусферических оболочек диаметром 58 см из алюминиево-магниевого сплава АМг6 толщиной 2 мм со стыковочными шпангоутами.
«Небольшой алюминиевый шарик с радиопередатчиком», по выражению президента Российской академии наук, академика Юрия Осипова, «изменил мировоззрение миллионов жителей планеты».
А уже 12 апреля 1961 года ракета Р-7 с космическим кораблем «Восток» отправила в космос первого космонавта планеты Юрия Гагарина. В «Востоке» было использовано большое количество алюминия: сплав АМг6 в герметичном корпусе спускаемого аппарата и приборном отсеке, сплавы АМг2 и АМг3 в трубопроводах, сплавы Д16, Д19, АК6 и АК8 в силовых деталях, в системах жизнеобеспечения использовались литейные сплавы. Из сплава АМг6 были сделаны топливные баки ракеты. Об этом стоит рассказать подробнее.
Лети, «лепесток», на «Восток»
С апреля 1959 года в разработке технологий отливки алюминиевых сплавов Д16, АМг6, 1201 и промышленного производства полуфабрикатов для аэрокосмической отрасли принимал участие Куйбышевский металлургический завод – сегодня это Арконик СМЗ, входящий в Алюминиевую Ассоциацию. Все началось с производства плит из сплава Д16. Затем последовали спецзаказы на шпангоуты из прессованных профилей и оребренные панели. Но вернемся к топливным бакам.
С конструктивной точки зрения они представляли собой шаровидные емкости от 3 до 12 метров в диаметре. Конструкторы сочли целесообразным изготавливать шары из сегментов (лепестков), свариваемых по стыкам. На предприятии предложили собственную технологию получения штамповок лепестков. Спроектированную на заводе простейшую опытную конструкцию крепления полуфабрикатов на столе пресса специалисты представили в декабре 1963 года.
В конце 1965 – начале 1966 года опытную партию лепестков сделали из листа толщиной 10 мм (сплав АМг6). Результаты испытаний механических свойств превзошли ожидания. Лепестки отправились на сварочный стапель завода-заказчика – куйбышевского «Прогресса». А с мая 1979 года на Куйбышевском металлургическом заводе начали серийно выполнять заказы космической отрасли.
От «Хаббла» до «Ярила»
Сплавы на основе алюминия использовались для изготовления корпусов космических челноков «Спейс шаттл» (челноки примерно на 90% состоят из алюминиевых сплавов), телескопической балки антенны космического телескопа «Хаббл», из них изготавливаются водородные ракетные баки, носовые части ракет, конструкции разгонных блоков, корпуса орбитальных космических станций и крепежей для солнечных батарей на них.
В 2020 году с космодрома Плесецк был запущен спутник «Ярило» с теплообменником из сплава производства Института легких материалов и технологий (ИЛМиТ). Разработчики нового материала справились с проблемой низкой технологичности при печати алюминиевых сплавов, легированных магнием и кремнием. Эти сплавы обладают хорошей теплопроводностью и высокой прочностью. Как показали наземные тесты, а затем и эксплуатация в космосе, новая сетчатая конструкция, полученная 3D-печатью с использованием нового высокотеплопроводного сплава, обеспечила снижение массы на 20% при увеличении на 25% теплового потока. А тепловой поток является основным показателем эффективности деталей, участвующих в терморегулировании.
В современной ракете около половины ее веса приходится на алюминиевые конструкции. В ракетах-носителях традиционно используются алюминиевые сплавы с добавлением магния, которые в мировой практике последних лет все чаще улучшаются легированием редкоземельными элементами, в первую очередь скандием. Добавление небольшого количества скандия позволяет повысить прочность материалов, что важно при создании новых аэрокосмических продуктов и техники.
Совсем недавно, в апреле, РУСАЛ объявил о запуске бренда алюминиево-скандиевой продукции – ScАlution. Под новым брендом будет выпускаться весь ассортимент алюминиево-скандиевой продукции, включая лигатуру, слябы и биллеты. Специально для аэрокосмической промышленности компания разработала и запатентовала экономно-легированный алюминиево-скандиевый сплав с содержанием скандия до 0,10%.
РУСАЛ впервые в мире создал замкнутую производственную цепочку – от производства оксида скандия до выпуска готовой продукции. Благодаря комплексному подходу РУСАЛ решил проблему стоимости и обеспечения рынка алюминиево-скандиевыми материалами.
Настойчивость и смекалка
Этот год оказался богатым на прорывные космические новости, прямо или косвенно связанные с алюминием. 18 февраля на Марсе начал работать созданный для НАСА ровер Perseverance (англ. «Настойчивость»). Марсоход передвигается по Красной планете на шести шипованных легкосплавных алюминиевых колесах диаметром 52,5 см. Уже 20 апреля сотрудники американского космического ведомства впервые получил кислород из атмосферы Марса, которая на 96% состоит из углекислого газа.
Perseverance переработал углекислый газ в кислород с помощью установленного на борту экспериментального аппарата MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment). Интересно, что MOXIE заключен в оболочку из алюминиевого сплава, покрытого золотом.
Ранее в апреле базирующийся на марсоходе роботизированный вертолет Ingenuity (англ. «Смекалка») совершил первый в истории управляемый полет на другой планете. 1,8-килограммовый робот-вертолет поднялся на трехметровую высоту, завис на 30 секунд, а затем успешно опустился на поверхность планеты. Как связано это событие с алюминиевыми решениями? Дело в том, что мобильные вертолетные площадки делаются из алюминиевых сплавов. При колонизации Марса без винтокрылых машин будет трудно обойтись. А им в свою очередь потребуется удобная и легко монтируемая инфраструктура.
– Перспективы применения алюминия в космической отрасли связаны, прежде всего, с появлением новых сплавов, позволяющих снизить вес ракет, кораблей и станций, – говорит Владислав Иваненко, руководитель сектора «Авиация и космос» Алюминиевой Ассоциации. – Облегчение конструкции аппаратов, в свою очередь, обеспечит значительное сокращение расхода топлива при их выводе на орбиту и работе в космосе.
А в более далекой перспективе технологичный алюминий найдет применение при строительстве лунных и марсианских баз.
ГК «Роскосмос» о применении алюминиевых сплавов в ракетно-космической промышленности
Сплавы на основе алюминия – одни из наиболее востребованных материалов в ракетно-космической технике (РКТ) в силу сочетания высоких физико-механических свойств и удельных характеристик прочности, жесткости и др.
В ракетно-космической технике для решения текущих и перспективных задач используется обширная номенклатура сплавов (от технического алюминия до высокопрочных) и полуфабрикатов (прессованных, катаных, кованых, штампованных).
Сплавы на основе алюминия являются и останутся в перспективе основным материалом для корпусных узлов и силовых элементов космических аппаратов (КА), баков ракет-носителей (РН), приборов и др.
Концепция инновационного развития сплавов на основе алюминия для РКТ предусматривает усовершенствование существующих и создание новых сплавов в следующих направлениях:
∙ повышение качества и расширение номенклатуры серийных конструкционных сплавов;
разработка и освоение производства новых конструкционных сплавов;
∙ разработка и освоение функциональных сплавов и алюмоматричных композиционных материалов (КА);
∙ разработка металлургических технологий, обеспечивающих повышенные и специальные свойства сплавов.
Наиболее перспективными направлениями развития являются:
∙ освоение производства конструкционных термически неупрочняемых сплавов системы Al-Mg-Sc;
∙ освоение новых конструкционных сплавов на базе системы Al-Li;
∙ разработка и освоение производства функциональных алюминиевых сплавов и алюмоматричных композиционных материалов (КМ) различного назначения, в том числе и для защиты космических аппаратов от воздействия метеоритно-техногенных тел, с пониженным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и т.п.
Применение аддитивных технологий для производства изделий из алюминиевых сплавов также является перспективным направлением. На сегодняшний день работы по освоению АТ алюминиевых сплавов в ракетно-космической промышленности находятся на стадии опробования, но в ближайшие три-четыре года имеются предпосылки для промышленного освоения данной технологии. В качестве рассматриваемых конструкций для изготовления методами АТ рассматриваются крепежные элементы космических аппаратов, корпуса аппаратуры, баки и крупногабаритные бесшовные конструкции в составе ракета-носителей.
Стоит отметить, что получение изделий из алюминиевых сплавов посредством АТ является сложной задачей, что обусловлено, с одной стороны, особенностями АТ алюминия, с другой – характерными свойствами сплавов и требует решения вопросов, связанных с ограниченными возможностями оборудования и расширением номенклатуры исходных материалов.
