Из чего делают спутники? Химик Виктор Авдеев о применении углепластиков в аэрокосмической отрасли

Что такое композиционные материалы? Как улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Химик Виктор Авдеев объясняет, какими преимуществами обладает углепластик.

Благодаря спутникам у нас есть телевидение, мы можем осуществлять коммуникацию и вести научную деятельность. Первые спутники делали из алюминиево-магниевого сплава, а затем стали создавать из титанового.

Первый искусственный спутник земли (Спутник-1), который был сделан из алюминиево-магниевого сплава, 1957 год // wikipedia.org

В XXI веке металлы все чаще заменяют углепластиками — композиционными материалами, состоящими из углеродных волокон и полимерных смол. Например, ученые из России и США разрабатывают конструкции из композиционных материалов для замены пилотируемого отсека на основе алюминиевого сплава.

Почему углепластик? Дело в том, что он весит на 30–35% меньше, чем алюминиевые сплавы. Чтобы вывести один килограмм на ближнюю орбиту, нужно потратить примерно 50 тысяч долларов. А если говорить о межпланетном перелете, затраты растут в геометрической прогрессии. У спутников, сделанных из углепластика, увеличивается срок эксплуатации, прочность и надежность, что приводит к снижению затрат на производство.

Например, «Федерация» — многоразовый пилотируемый корабль, у которого основная часть состоит из углепластика. Однако пилотируемая часть, где находятся люди, состоит из металла. Почему из композиционных материалов не делают пилотируемый отсек? Дело в том, что, когда люди разрабатывали первые такие отсеки, углепластики не существовали. Сейчас, чтобы заменить материал, нужно произвести ряд экспериментов. Ученые их проводят, а нам остается ждать результатов.

Макет «Федерации» // wikipedia.org

Одна из проблем, с которой нам приходится сталкиваться, — космический мусор. Ступени ракет и части сломанных космических аппаратов наносят огромный урон спутникам. Ни один из них не может выдержать столкновение с деталью, летящей к нему на огромной скорости, в том числе и спутник, сделанный из углепластика. А главное, человечество еще не придумало системы защиты аппаратов и уборки космического мусора.

Современные методы позволяют сделать детали для спутника с помощью аддитивных технологий. Печать спутника на 3D-принтере целиком неэффективна: мы потратим огромное количество времени и денег на каркас, когда его достаточно вырезать из сплошного материала.

В зависимости от того, какое воздействие будет испытывать материал в будущем, применяются разные методы укладки углеродного волокна. Однако, если мы неправильно его уложим, могут образоваться пустоты. Для космической сферы, если аппараты герметичны, это не критично, чего нельзя сказать об авиации. Обычно считается, что допустимый уровень пористости композиционного материала в авиации — менее 3%. Самолеты летают в самых разных погодных условиях: дождь, снег, гроза. Из-за того, что поры заполняются водой, происходит деградация материала. Раскачивается матрица композита, что может привести к разрушению самолета.

Мы получили от алюминиевых сплавов все что могли, поэтому их все больше и больше заменяют титановые. Несмотря на то что у титановых сплавов плотность в полтора раза выше, чем у алюминиевых, они гораздо прочнее, из-за чего выходят на первый план. Однако если алюминиевых сплавов сейчас производится около 60 миллионов тонн, то титана — только 250 тысяч тонн.

Поэтому если говорить о тенденциях в аэрокосмической отрасли, то алюминий замещается, с одной стороны, титаном (в областях, где нельзя отказаться от металла), а с другой — углепластиками, которые все больше будут применяться во многих сферах производства.