Авиация – колыбель космонавтики

Авиация

Космос

Материалы

В начале ХХ века строительными материалами были: древесина и ткань. А.Н. Туполев, приступает к изучению темы внедрения легких металлов в конструкцию самолета, по результатам исследования создается «комиссия по металлическому самолетостроению» [7].

Кольчугинский завод освоил производство алюминиевого сплава, названного кольчугалюминием. Технические требования были разработаны специальной комиссией ЦАГИ во главе с А.Н. Туполевым[1].

В 1909году немецкий инженер А. Вильм создал алюминиевый сплав с высокой удельной прочностью и приемлемыми технологическими свойствами – дюралюминий[1].

На алюминий приходится от 50%до 90% общей массы самолетов и космических кораблей. Из него изготавливают корпуса летательных аппаратов, детали двигателей, шасси, топливные баки, крепежные устройства и др. Он в 3 раза легче стали и гораздо дешевле, чем титан [6]. В конце ХХ века появляется новый вид сплава  алюминий с литием. Литий добавляет легкость металлу. Но есть минус: его нельзя варить, и под высоким давлением конструкция не сможет быть герметичной, а, значит, соединения из данного сплава можно только штамповать (заклёпки).

Алюминий и его сплавы – это, пожалуй, самые традиционные материалы, которые активно применяются в космических технологиях. Сплавы алюминия, такие как 2024 или 7075, обладают отличной прочностью и устойчивостью к коррозии. Алюминиевые сплавы широко используются в конструкции спутников, ракетных блоков и их элементов, а также в системах терморегуляции.

Титан – это еще один металл, который занимает важное место в строительстве космических аппаратов. Он славится своей коррозионной стойкостью, высокой прочностью при малом весе и способностью выдерживать экстремальные температуры.

Неметаллы

Лёгкие и прочные композитные материалы. Разработали их изначально для космических аппаратов.

Углеродные композиты – это углеродные волокна и полимерные смолы, что делает эти материалы одновременно легкими и сверхпрочными. Эти материалы выдерживают сильнейшие нагрузки и перепады температур, которые встречаются в космосе, при этом они гораздо легче традиционных металлических материалов.

Углеродные композиты активно используются в конструкции внешней оболочки спутников и ракет. Их легкость помогает уменьшить вес аппарата при достижении требуемой прочности. Защищает от микрометеоритов и космического излучения.

Керамика и керамические покрытия: защита от высоких температур. Керамические материалы благодаря своей способности выдерживают экстремально высокие температуры. В конструкции твердотопливных двигателей и теплоизоляции часто используются керамические покрытия и керамические волокна. Такие покрытия, как авиаборта (керамическое покрытие на основе углерода).

Карбоновые нанотрубки   это ультрапрочные и легкие структуры на основе углерода, могут быть использованы для создания суперпрочных оболочек, которые при этом не добавляют дополнительный вес к космическим аппаратам.

Силикатные материалы и специальные виды стекла: защита от радиации.[8].

Штурвал и джойстик

Штурвал современного самолёта – уже не «руль», а джойстик бортового компьютера. Это связано с тем, что джойстик представляет большую степень контроля над самолётом и позволяет более точно управлять им. «Джойстик» (впервые применен на А320 в 1985 г.)

Джойстик – это так называемый сайдстик. Сайдстик используется в самолётах корпорации Airbus, штурвал – Boeing [3].

На МКС нет штурвала, за его полетом следит целая служба двух великих государств.

На космических кораблях в зависимости от системы управления, космонавты могут использовать как штурвал, так и джойстик. Для сближения и стыковки космических аппаратов используют два джойстика: левым контролируется движение корабля, а правым – его ориентация [10].

Реактивные двигатели

1 сентября 1943года в небо поднялся экспериментальный пикирующий бомбардировщик Пе-2, оснащенный ракетным ускорителем ЖРД РД-1. РД-1 требовал 90 кг топлива в минуту. Предполагалось иметь на борту самолёта 900кг топлива для 10 минутной работы установки. За счет реактивной тяги скорость Пе-2 должна была возрасти на высоте 7000 м на 108 км/ч. Испытания с запуском ускорителя прошли успешно, что подтвердило правильность технических решений, предложенных Сергеем Королёвым, который станет ведущим советским ракетчиком [2].

Первое поколение авиадвигателей появилось в 1940-е – 1950-е гг..

Второе поколение относится к 1960-м годам, в них применяли титан и жаропрочные сплавы.

Первый отечественный авиадвигатель третьего поколения для пассажирских самолетов – Д-20П со степенью двухконтурности 1.    Двигатель разработали под руководством конструктора Павла Соловьева в пермском ОКБ-19, сегодня «ОДК-Авиадвигатель».

Реактивный двигатель третьего поколения Д-30КП предназначается для транспортных самолетов и производится на рыбинском предприятии «ОДК-Сатурн». Его степень двухконтурности составляет более 2.

В 1970-е – 1990-е гг. создаются авиадвигатели четвертого поколения ПС-90А.

Разработка авиадвигателей следующего, пятого поколения производится в 2000-2010-е годы. Гражданский авиадвигатель пятого поколения ПД-14.

Авиационное топливо, вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата для получения тепловой энергии в процессе окисления кислородом воздуха (сжигания) делится на два типа: авиационные бензины и керосины.

   Бензины применяются, как правило, в поршневых двигателях, а керосин  – в турбореактивных. Также известны разработки дизельных поршневых авиационных моторов, которые использовали дизельное топливо, а в настоящее время – керосин [2].

Реактивные двигатели, разработанные в авиации, легли в основу ракетных технологий.

РД-170  четырёхкамерный жидкостный ракетный двигатель (1976г.), работает на керосине и жидком кислороде.

РД-180 – двухкамерный двигатель с замкнутой схемой с дожиганием генераторного газа.

РД-701 – двигатель, работающий на двух видах горючего: достижение высокой начальной тяги обеспечивается за счёт дополнительной подачи в камеру сгорания более плотного горючего – керосина.

Освоили альтернативные виды топлива – водород и сжиженный природный газ (СПГ) [7]. Адаптация этих двигателей к условиям космоса позволила добиться высокой скорости и манёвренности ракет.

Семейство российских трехступенчатых унифицированных ракет-носителей с кислородно-керосиновыми двигателями, включающее в себя носители от лёгкого до тяжёлого классов – в диапазоне грузоподъёмностей от 3,5 («Ангара-1.2») до 38 тонн («Ангара-А5В») на низкой околоземной орбите.

На керосине, приверженцем которого являлся Королёв, работали двигатели НК-15 и НК-33. Оба с тягой по 154 тс [7].

Самолет-лаборатория ИЛ-76МДК

Настоящую орбитальную невесомость можно ощутить при полете в самолете-лаборатории ИЛ-76МДК – именно на нем космонавты готовятся к работе на МКС [1].

Сам полет длится не более двух часов. В нем самолет летит по траектории параболы, так что вначале в салоне возникают перегрузки, а затем на полминуты наступает невесомость [1].

Аэродинамическая труба

1925 году для научных исследований ЦАГИ построили самую большую трубу на тот момент в мире – диаметром шесть метров. Скорость продувки там, правда, была не очень высока – 100 км/ч [7].

Аэродинамическая труба была разработана для тренировок парашютистов и космонавтов [7].

Сварка

В авиапромышленности разработаны новые технологические процессы по обработке, сварке и термообработке титана, изготовлены специальные установки для сварки и отжига титановых конструкций в вакууме[1].

Один из оптимальных процессов для космоса – электронно-лучевая сварка, так как необходимый для неё вакуум присутствует в космосе постоянно, а микрогравитация не составляет непреодолимых трудностей[1].

Полет

Существует много различных проектов, но все такие корабли по замыслу конструкторов должны «уметь» летать в атмосфере, выходить на околоземную орбиту, находиться на ней достаточно продолжительное время, а затем совершать посадку по-самолетному, на свой аэродром [9].

Горизонтальный, или самолетный, старт предпочтительнее для многоразового космического корабля, хотя при ракетном старте выводится большая полезная нагрузка. Наиболее приемлемым пока считается проект транспортного корабля, у которого первая ступень – непилотируемая, частично восстанавливаемая для повторного использования, а вторая ступень – пилотируемая, самолетного типа. Отход от «идеальной» схемы означает, прежде всего, возвращение к вертикальному ракетному старту, утрату в полете некоторых элементов системы. При этом: утрату не всей ракеты-носителя и не всего корабля, как сейчас, а лишь некоторых элементов [9].

Многоразовый возвращаемый космический самолёт

В США использовался космический транспортный корабль под названием «Шаттл» («Челнок»). Он имел двухступенчатую схему с параллельным расположением ступеней, обе ступени возвращаемые; двигательные установки ступеней включаются одновременно. Первая ступень состоит из двух спасаемых (то есть возвращаемых на Землю и пригодных для повторного использования) непилотируемых ракетных блоков с двигателями, работающими на твердом топливе. Вторая ступень крылатая, пилотируемая, оснащенная водородно-кислородными ЖРД и сбрасываемым перед выходом на орбиту топливным баком. В этой схеме используются преимущества ракетной техники, в частности, применяется высокоэнергетическое топливо и вертикальный старт. Единственная часть системы, которая будет утрачиваться в полете, – топливный бак второй ступени [9].

В отличие от американского «Шаттла», в Советском Союзе разрабатывался «Буран», который должен был выводиться в космос с использованием лишь мощи ракеты-носителя, не имея внешнего топливного запаса. «Буран» – советский орбитальный корабль-ракетоплан многоразовой транспортной космической системы (МТКС), созданный в рамках программы «Энергия – Буран». Задача корабля – доставка космонавтов, грузов и космических аппаратов на орбиту и возврат их на Землю. «Буран» мог выполнять функции возвращаемого космического самолёта. «Буран» мог совершать беспилотные полёты, а также самостоятельные автоматизированные посадки. Проект орбитального корабля «Буран» оказался под вопросом, когда в 1988 году от него отказался основной заказчик − Министерство обороны СССР, и его первый полет стал одновременно и последним, хотя и вошел в списки мировых рекордов [9].