Наш век недаром называют веком космоса. Через порог этого века мы только, что перешагнули. Первые спутники, героические полеты наших космонавтов, высадка американцев на Луну - все это было совсем недавно. Это были первые ступени, первые шаги в неизведанное, знакомство с новой, безграничной сферой деятельности человека.
Первые шаги сделаны. Каковы же следующие?
Ныне основным направлением космических исследований стало создание долговременных орбитальных станций с экипажем из нескольких человек для проведения обширных комплексных исследований в космосе.
Глубоко, всесторонне исследовать космос, и поставить его на службу народному хозяйству - такова основная задача советской космической программы.
Чем же может быть полезен космос?
Космос - это глубокий вакуум, невесомость, мощные потоки теплового излучения Солнца, а в тени - космический холод.
И все это дается даром, в то время, как на Земле все это осуществимо с немалым трудом.
КОСМОС - «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЙ»
Вакуум уже давно взят на вооружение металлургами, и литейщиками.
Он помогает им в борьбе с двумя злейшими врагами окислением жидких металлов, и сплавов, и газовой пористостью отливок. Если металл плавить, и разливать в вакууме, то он не окисляется, из него улетучиваются растворенные газы, и тогда при заливке его в форму в отливке не образуется пор.
Металлургам, и литейщикам в земных условиях обычно приходится довольствоваться вакуумом не более 10-2 10-3 мм рт. ст.
Это более чем скромно по сравнению с космическим вакуумом 10 ~9 10~|2мм рт. ст.
В космосе вакуум, как говорится, «под рукой», в изобилии.
А на Земле его приходится держать «за семью замками», и защищать от атмосферного давления толстой стальной броней.
По самое интересное для технологов свойство космоса - состояние невесомости, не ограниченное по длительности.
В земных условиях невесомость можно создавать лишь на краткое время - от нескольких секунд в свободном падении до нескольких минут в самолете, летящем по строго определенной траектории.
С момента наступления невесомости основными силами, определяющими форму, и поведение жидкостей, становятся силы поверхностного натяжения.
Это объясняется тем, что силы поверхностного натяжения являются по своей природе молекулярными силами, и поэтому не зависят от наличия или отсутствия силы тяжести.
В земных условиях эти силы действуют на жидкость постоянно, но заметно проявляют себя только тогда, когда они соизмеримы с весом рассматриваемого количества жидкости.
Однако в условиях, когда гравитация «исчезла», именно силы поверхностного натяжения определяют поведение любого количества любой жидкости, в том числе, и жидких металлов.
Это, как раз, и открывает перед металлургами, и литейщиками новые, совершенно необычные возможности.
ШАРЫ И ОБОЛОЧКИ
Начнем с такого интересного явления капля жидкости в условиях невесомости свободно висит в пространстве, ни на, что, не опираясь, и при этом принимает форму шара.
Почему так происходит?
Силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить до минимума площадь поверхности данного объема жидкости. А минимальной поверхностью при заданном объеме обладает, как раз шар.
Поскольку масса жидкого металла может свободно висеть в вакууме, то в этих условиях можно плавить металлы, и сплавы без печи, не прикасаясь к ним, и нагревая их на расстоянии токами высокой частоты или сфокусированными солнечными лучами.
Возьмем для примера параболическое зеркало диаметром 100 метров. Солнечные лучи, полностью отразившись от поверхности такого зеркала, устремятся в его фокус тепловым потоком с мощностью около 11 мегаватт. Этого вполне достаточно для того, чтобы за секунду расплавить около двух с половиной килограммов меди.
Чем меньше поверхность тела, тем медленнее оно излучает тепло. Для шаровидной капли скорость потерь на лучеиспускание минимальна.
Все это вместе взятое позволит проводить бесконтейнерную плавку в вакууме, и получать металлы, и сплавы самой высокой чистоты, и качества.
Этим способом можно будет выплавлять такие металлы, производство которых на Земле затруднительно из-за того, что они активно взаимодействуют с огнеупорной облицовкой печи.
Разумеется, нагрев, и плавка металла описанным способом - дело очень непростое. Ведь, плавясь, металл будет испаряться, и реактивные силы смогут легко вывести каплю расплава из равновесия. Так же непросто изготовить достаточно прочное параболическое зеркало стометрового диаметра. Предвидя, и в дальнейшем подобные возражения, оговорюсь в этой статье я лишь мечтаю, а не излагаю проекты, пригодные к немедленной реализации. Мечтателю же позволительно забыть о технико-экономических ограничениях сегодняшнего дня. Так, что продолжим разговор о бесконтейнерной плавке, о каплях жидкого металла, свободно висящих в вакууме.
В условиях невесомости образуется не простой жидкий шарик, а сверхточный! Его поверхность под действием сил поверхностного натяжения становится близкой к абсолютной сфере. Так, например, поверхность капли расплавленного алюминия, находясь на высоте 320 км от Земли, будет отклоняться от абсолютной сферы всего на десятимиллионные доли процента.
Сделать в земных условиях шарики такой точности не представляется возможным ни одним из известных способов. А такие шарики давно нужны машиностроению подшипники с такими шариками могли бы служить гораздо дольше обычных.
Шары абсолютно сферической формы могли бы найти широкое применение в поворотных шарнирах больших телескопов, и радиолокаторов, в крыльях самолетов с переменной геометрией крыла, и т. д. Такие шары можно изготовлять из металлов, и сплавов, плохо поддающихся обработке.
Ну, а если делать шарики полыми - еще лучше! О полых шариках для подшипников, на которых вращаются роторы больших вертолетов, сейчас мечтают авиационные инженеры.
Полые шарики сейчас сваривают из двух половинок, но их слабым местом остается шов.
Полые шарики из сплошного куска металла были бы гораздо надежнее.
В космосе, в условиях невесомости такие шарики можно изготавливать, вспрыскивая в массу жидкого металла газ.
В земных условиях пузыри из расплавленного металла неустойчивы, так, как жидкий металл не обладает достаточной вязкостью, чтобы противодействовать стеканию жидкости под действием силы тяжести. При невесомости стекания не произойдет, поэтому в таких условиях могут устойчиво существовать жидкие оболочки из любых жидкостей, любого размера и с любой толщиной стенки.
Расчеты показывают, что в космосе из жидких металлов можно выдувать не только маленькие пустотелые шарики, но, и огромные тонкостенные оболочки, например, диаметром до 10 м.
После затвердевания жидкого металла мы получим твердую тонкостенную оболочку из одного куска металла!'
Такую оболочку на Земле можно только сварить из кусков.
Дайте в руки конструктору возможность изготовлять такие оболочки в космосе, и очень может статься, что строительство больших орбитальных станций будет выглядеть совсем не так, как это представляют сейчас. Например, несколько таких оболочек, пока они еще жидкие, можно объединить в подобие гигантской пены. Когда эта пена затвердеет, она образует единое целое, без швов, и стыковочных узлов.
Ячейки пены могут быть оборудованы под помещения орбитальной станции или хранилище топлива.
Натягивая пленки из жидких металлов на том или ином жестком каркасе, можно придавать им бесконечно разнообразные формы. В условиях невесомости пленки из жидких металлов не имеют ограничений в габаритах и толщине. Может быть, затвердевшие оболочки, и пленки на каркасах и будут основой космической архитектуры будущего?
Коль скоро речь зашла о гигантской пене, то самое время поговорить о пенах подробнее.
ПЕНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И ПРОЧИЕ
В земных условиях удается получить пену из некоторых металлов, например, из алюминия. Но пеноалюминий не пена в прямом смысле слова, а губка, все ячейки которой сообщаются между собой. Прочность такой металлической губки обычно невелика.
В космосе, в условиях невесомости, могут устойчиво существовать жидкие пены из любых материалов.
Эта возможность - дверца в новый мир, который сулит нам ни больше ни меньше, как новую техническую революцию в области материалов для промышленности!
Например, пеносталь, содержащая по объему 13% стали, и 87% газа, будет плавать в воде. Можно будет изготовить крыло самолета со свойствами нержавеющей стали и плотностью алюминия.
Как же представляют себе инженеры получение пенометаллов в космосе?
В одном из вариантов расплавленный металл, и газ подают одновременно в вакуумную камеру.
Второй, более сложный метод требует перемешивания по мере подачи газа. Однако при перемешивании может происходить слияние пузырьков.
Третий метод предусматривает введение газа в металл под высоким давлением, и быструю подачу металла в вакуумную камеру. Это похоже на то, что происходит при быстром открывании бутылки с шампанским. Резкое падение давления вызывает появление пузырьков, которые равномерно распространяются в жидкости.
Шарики, оболочки, пенометаллы - простейшие примеры изделий, выгодное производство которых позволит наладить космос.
Рассмотрим примеры более сложные.
ЛИТЬЕ В. ВАКУУМ
В начале статьи говорилось про литье в вакууме, применяемое в современном литейном производстве. Отмечалось, что при этом улучшается качество отливок. Однако сам процесс литья остается традиционным - те же формы, изложницы, и т. п.
В космосе можно обойтись без них; металлы можно плавить в вакууме во взвешенном состоянии, а потом придавать им с помощью электростатических полей любую желаемую форму.
Собственно, это будет уже не «литье» в общепринятом смысле слова, когда имеется в виду, что жидкий металл течет, и заполняет, какую-то форму под действием силы тяжести.
В данном случае металл никуда не течет, и ничего не заполняет! Такой процесс поистине можно назвать «литьем в вакуум»
Изделия сложной формы можно получать в космосе из высокотемпературных сплавов с помощью адгезионного, и бесконтейнерного литья.
Что же это такое - адгезионное литье?
Оно основано на тех же явлениях поверхностного натяжения, которые мы рассматривали ранее, только здесь силы поверхностного натяжения действуют на границах двух различных жидкостей.
В невесомости можно получать слоистый материалы, отливая одни слой поверх другого, уже затвердевшего.
Пленка еще жидкого металла равномерно растечется по поверхности затвердевшего, если она смачивает эту поверхность, а затем затвердеет, и сама, образуя ровный слой.
«ЧУДЕСНЫЕ СМЕСИ»
И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Невиданные ранее материалы можно получить в условиях невесомости при перемешивании жидких веществ любой плотности, и последующем затвердевании их. Не надо бояться, что более легкая компонента смеси всплывет, а более тяжелая осядет.
Можно, например, изготавливать новые полупроводниковые материалы из пересыщенных сплавов галлий - висмут или теллурид свинца - олово.
Лишь условия невесомости позволят перемешать такие трудно смешиваемые материалы.
Невесомость даст возможность производить композиционные материалы, которые невозможно получить на Земле. (Композиционные материалы - это легкие металлы или сплавы, упрочненные волокнами из более прочных материалов.)
В земных технологических процессах для получения композиционных материалов с волокнистым каркасом, например, из бора, используются высокие давления. Подобная технология препятствует применению волокон из таких материалов, как, скажем, сапфир или окись бериллия.
В космосе композиционные материалы можно получать без применения давления они будут принимать нужную форму при гораздо более простой обработке. Секрет способа таков жидкий металл растекается по твердому упрочняющему каркасу под действием сил поверхностного натяжения.
Специалисты считают, что в невесомости можно будет выращивать огромные кристаллы и.
Но тут необходимо остановиться, так, как просто не хватит времени для того, чтобы подробно рассказать еще о многом, чего ждут от производства в космосе литейщики.
КАКОВА РЕАЛЬНОСТЬ?
Технологов обычно не смущает первоначальная дороговизна новых материалов, и трудности в осуществлении новых технологических процессов. На новом уровне их освоения массовое производство компенсирует любую дороговизну, и оправдает любые трудности.
Достаточно, например, напомнить о том, как промышленность осваивала алюминий.
Еще в прошлом веке этот металл, который добывается из глинозема, то есть буквально «валяется под ногами», считался драгоценным из-за трудностей его добычи.
Но прошло время, и при изобилии дешевой электроэнергии стало возможным массовое производство алюминия методом электролиза. И вот результат - кастрюля из алюминия сегодня стоит в любой кухне, и ничем не поражает нашего воображения.
Таких примеров можно привести множество.
В 1962 году, когда автор этой статьи, будучи еще студентом, впервые заинтересовался возможностями космического производства, это еще казалось фантастикой. Но за прошедшие десять лет в отечественной, и зарубежной технической литературе появилось немало статей, посвященных этим проблемам.
Сейчас специалисты считают, что уже на современном уровне развития космонавтики нужно осваивать производство в космосе отдельных, уникальных изделий.
Всем памятен первый эксперимент по сварке в космосе, проведенный в октябре 1969 года советскими космонавтами В. Кубасовым и Г. Шоннным. Интересные технологические эксперименты проводились в этом году американскими космонавтами на борту орбитальной станции «Скайлэб»
Предполагается, что производство в космосе отдельных видов изделий может стать рентабельным уже через 10 - 15 лет.
Фантазия инженеров-технологов уже уводит их вперед, к концу века, когда производство в космосе будет развернуто в самых широких масштабах.
Им видятся огромные заводы на дальних орбитах вокруг Земли - заводы необыкновенные!
Это будут заводы без крыш, и полов, занимающие в космосе немалое пространство. Представьте «рой» летящих по орбите станков, которые используются по мере надобности для нужд производства самых разнообразных изделий.
Именно космос может стать самой большой мастерской для будущего человечества.
