12.04.2021 - Lenta.ru (Оригинал материала)

В 9 часов 7 минут по московскому времени 12 апреля 1961 года с космодрома Байконур стартовал корабль «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. 108 минут, проведенных первым космонавтом Земли на ее орбите, начали отсчет космической истории человечества. Но так уж получилось, что алюминий оказался в околоземном пространстве на несколько лет раньше первого пилотируемого полета в космос и уж точно раньше других металлов.

Изменил мировоззрение миллионов

Алюминий – это металл, который позволяет человеку двигаться с высокой скоростью, переплывать океаны, подниматься в небо и покидать пределы нашей планеты.

Широкое использование алюминия при создании космических аппаратов Жюль Верн предсказал еще в 1865 году в научно-фантастическом романе «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут». Сегодня спрос на алюминиевые полуфабрикаты в аэрокосмической отрасли в мире составляет 33,5 тысячи тонн, эксперты полагают, что к 2030 году эта цифра возрастет до 59 тысяч тонн.

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.

1933 год – запуск первой отечественной ракеты на жидком топливе. Корпус 19-килограммовой ракеты из дюраля толщиной 0,5 мм.

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».

12 апреля 1961 года – Юрий Гагарин на корабле «Восток» отправляется в первый пилотируемый полет в космос. Алюминиевые сплавы в герметичном корпусе спускаемого аппарата, приборном отсеке, трубопроводах, силовых деталях, системах жизнеобеспечения, в топливных баках ракеты.

1957 год – выведен 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.

А уже 12 апреля 1961 года ракета Р-7 с космическим кораблем «Восток» отправила впервые в космос Юрия Гагарина. В «Востоке» было использовано большое количество алюминия: в герметичном корпусе спускаемого аппарата и приборном отсеке, трубопроводах, силовых деталях и системах жизнеобеспечения. В самой же ракете широко был применен сплав АМг6 для топливных баков. 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.

Шпангоут
Шпангоут в ракетостроении – сделанный из алюминиевого сплава поперечный элемент жесткости обшивки ракеты, воспринимающий сосредоточенные или распределенные на небольшой длине значительные внешние нагрузки. Нагрузки могут передаваться в полете от агрегатов, закрепленных на шпангоуте. Они также могут возникнуть на земле – при подъеме и транспортировке ракеты.

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. Спроектированная специалистами завода простейшая опытная конструкция крепления полуфабрикатов на столе пресса была представлена 28 декабря 1963 года.

В конце 1965 – начале 66 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 на самом Куйбышевском металлургическом заводе начали серийно выполнять заказы космической отрасли с мая 1979 года.

В центре фото - фрагмент того самого лепестка для ракеты

От «Союза-5» до «Ярила»

Сплавы на основе алюминия использовались для изготовления корпуса 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 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 значительно повысить прочность материалов, что важно при создании новых аэрокосмических продуктов и техники.

Сварить ракету
Для создания перспективной ракеты-носителя «Союз-5» по заказу РКЦ «Прогресс» на чебоксарском предприятии «Сеспель» будут сделаны три установки и оснастка к ним под роботизированную сварку трением с перемешиванием деталей из алюминиевых сплавов. Согласно техническому заданию, установки должны быть способны обеспечивать сварку листов толщиной около 30 мм. Оборудование, обладающее большой мощностью, обеспечивает высокое качество шва и точность сварки. Летом прошлого года на «Сеспеле» завершился первый этап приемосдаточных работ оборудования.

В 2020 году с космодрома Плесецк был запущен спутник «Ярило» с теплообменником из сплава РС-333 производства Института легких материалов и технологий (ИЛМиТ). Разработчики РС-333 решили проблему 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.

Космос зовет

Перспективы применения алюминия в космической отрасли эксперты связывают прежде всего с появлением новых сплавов, позволяющих снизить вес ракет, кораблей и станций, что, в свою очередь, обеспечит значительное сокращение расхода топлива при выводе аппаратов на орбиту и значительно расширит их функционал.

Основное направление – это создание новых высокопрочных сплавов для конструктивных элементов, а также сплавов с низким коэффициентом теплового расширения для исключения их деформации и повреждения в условиях космических полетов. Внедрение новых сплавов позволяет уменьшать вес конструкций примерно на 20%. Учитывая, что стоимость отправки на орбиту одного килограмма груза сегодня оценивается в несколько сотен тысяч рублей, такие разработки имеют большое экономическое значение. Образно говоря, чемоданы, в которые будут укладывать вещи будущие члены экспедиции на Марс, должны быть из легкого материала – одного из сплавов алюминия.

«Союз-5»
Перспективная двухступенчатая ракета-носитель среднего класса «Союз-5» предназначена для запусков автоматических космических аппаратов на солнечно-синхронные, высокоэллиптические, геопереходные и геостационарные орбиты, в том числе с использованием разгонного блока, а также запусков пилотируемых транспортных кораблей.

В этом году мы отмечаем 60-летие первого пилотируемого полета в космос, а в будущем году – 65-летие запуска первого искусственного спутника Земли. Все эти годы космонавтика и алюминиевая отрасль шли рука об руку, дополняя и взаимно обогащая друг друга научными идеями и технологиями. Гагаринское «Поехали!» и сегодня звучит как руководство к действию для научных и производственных коллективов отрасли, создающих для космоса уникальные изделия из современных высокотехнологичных сплавов алюминия.

Алюминиевая Ассоциация
Сегодня многие компании и организации, работающие для российской космонавтики, входят в Объединение производителей, поставщиков и потребителей алюминия (Алюминиевую Ассоциацию). Среди них РУСАЛ, Арконик СМЗ, Алюминий Металлург Рус, Сеспель, Институт легких материалов и технологий (ИЛМиТ) и другие. Деятельность Ассоциации, созданной в 2015 году при поддержке Минпромторга России, направлена на создание оптимальных условий для развития алюминиевой промышленности и смежных с ней отраслей.