Обзор материалов, используемых в космической технике

Компоненты аппаратов, которые не подвергаются прямому воздействию в космос, должны соответствовать определенным требованиям, особенно для пилотируемых аппаратов, для которых важны токсичность и воспламеняемость. Важны также контроль разрушения и контроль загрязнения, с дополнительными требованиями по технологичности. Важно помнить, что реальное оборудование предварительно должно быть протестировано, чтобы понять реальную производительность в исходном состоянии, поскольку она может заметно отличаться от задуманной конструкции.

Какие металлы используются для создания ракет

Ракета должна выдерживать сильные нагрузки при запуске и быть как можно более лёгкой, поэтому материалы космической техники должны в полной мере учитывать эти два фактора. В качестве материала корпуса в большинстве ракет используется алюминий или титан аэрокосмического качества, поскольку оба металла очень прочные и – одновременно - лёгкие.

В ракетах будущего рассматривается возможность использования углеродных композитных конструкций, однако на нынешней стадии развития космической техники предложения по таким веществам ещё не вышли из стадии экспериментальных исследований.

Если ракете необходимо вернуться на Землю (например, космическому шаттлу), плитки теплозащитного экрана должны производиться из кварцевого волокна, поскольку оно являются отличными изоляторами. Затем для повышения эффективности эти волокна покрываются стеклом.

Самовосстанавливающиеся материалы

Устройства, которые мы используем каждый день, обычно перестают работать по трём различным причинам:

1. Старение. Большинство веществ постепенно разлагаются, иногда в течение очень длительного периода времени (древесина гниёт, когда ее разъедают микроорганизмы или насекомые, даже пластмассы разрушаются через несколько сотен лет - или раньше с помощью тепла и света).
2. Износ в результате постоянного использования (одной из главных причин является трение: компоненты, которые постоянно перемещаются вперёд и назад, ломаются из-за усталости).
3. Дефекты: некоторые узлы ломаются внезапно, когда приложенные силы (напряжения и/или деформации) вызывают быстрое распространение внутренних трещин или других дефектов.

Для материаловеда третья проблема - спонтанный отказ - самая опасная и трудная для решения. При регулярном осмотре и обслуживании легко обнаружить гниющее дерево или ржавое железо, но гораздо труднее заметить микротрещины, скрывающиеся в конструкциях. Указанные проблемы предопределяют поиск искусственных материалов, которые ведут себя как человеческое тело: обнаруживают неисправность, предотвращают её развитие, а затем устраняют проблему как можно быстрее.

Самые известные самовосстанавливающиеся вещества представляют собой встроенные микрокапсулы, заполненные химическим клеем, который может восстанавливать повреждения. Если материал потрескается внутри, капсулы разорвутся, ремонтный материал «растаёт», и трещина закрывается. Пример - нанесение эпоксидного герметика на бетонную стену с помощью пневматического дозатора.

Известны самовосстанавливающиеся системы, состоящие из тонких сосудистых трубок, которые входят в резервуары под давлением. Когда происходит сбой, давление сбрасывается на одном конце трубки, заставляя заживляющий агент закачиваться туда, куда это необходимо. Хотя с помощью этого метода можно заделать трещины, размер которых в десять раз больше, чем при использовании метода микрокапсул, он работает медленнее, поскольку вещество для ремонта должно перемещаться дальше. Это может создать проблему, если трещина распространяется быстрее, чем ремонтируется.

К числу самовосстанавливающихся материалов относят также стали и сплавы с эффектом памяти, а также реверсивные полимеры, использующие тепловой эффект.

Космические материалы с использованием нанотехнологий

Достижения в области наноматериалов делают возможными лёгкие солнечные паруса и кабель для космического лифта. Благодаря значительному сокращению необходимого количества ракетного топлива эти достижения могут снизить стоимость доставки на орбиту и путешествия в космос. Кроме того, новые материалы (в сочетании с наносенсорами и нанороботами) могут улучшить характеристики космических кораблей, скафандров и оборудования.

Из последних достижений в данной области стоит отметить следующие:

1. Использование углеродных нанотрубок для изготовления кабеля, необходимого для космического лифта - системы, которая могла бы значительно снизить стоимость отправки на орбиту.
2. Развертывание сети наносенсоров для поиска на больших участках планет, например, на Марсе, следов воды или других полезных биовеществ.
3. Производство двигателей для космических кораблей, которые используют устройства ускорения наночастиц. Это должно уменьшить вес и сложность двигателей, используемых для межпланетных полетов.
4. Использование углеродных нанотрубок для создания лёгких солнечных парусов, которые используют давление солнечного света (отражающегося от зеркального элемента) для приведения в движение космического корабля.

«Интеллектуальные» космические материалы

Представляют собой вещества, которые необходимы для вывода космических объектов на орбиту без использования взрывчатки.

В настоящее время, когда спутник запускается в космос, его подвижные части крепятся с помощью фиксированных механизмов, для освобождения которых требуются небольшие пиротехнические взрывы. Интеллектуальные материалы удерживают подвижные части космического корабля во время запуска, а затем высвобождают их после выхода на орбиту без использования пиротехники.

Преимущество этой технологии заключается в том, что она не создаёт вибраций, а также использует вещества, которые обладают памятью формы. Это свойство позволяет удерживать деталь на месте во время запуска, а затем, после выхода на орбиту, отпускать её простым включением соответствующего электрического сигнала.