לאחרונה, על פי דיווחים בתקשורת הרוסית, תאגיד התעופה והחלל הלאומי הרוסי מפתח חומרים חדשים לשימוש בייצור רכבי שיגור, חלליות, לוויינים וחלליות אחרות. במקביל, מדינות כולל ארצות הברית ובריטניה דנות גם בטכנולוגיית ההיווצרות והעיבוד של חומרי תעופה וחלל חדשים ובייצור מדויק של חלקים מורכבים של חלליות וטכנולוגיית ציוד אינטליגנטי. אז למה הנדסת אווירונאוטיקה וחלל מקדישה כל כך הרבה תשומת לב לפיתוח חומרי?
יסודות החללית
חלליות הן כלי רכב הפועלים בחלל בהתאם לחוקי המכניקה השמימית ומבצעות משימות ספציפיות כגון חקר, פיתוח וניצול של חלל וגופים שמימיים. הם כוללים בעיקר רקטות, לוויינים וחלליות. הם "החלוצים" של האנושות בפתיחה והתרחבות ביקום.
עם זאת, "חלוץ" זה אינו מתאים. על מנת לפרוץ את אילוצי האטמוספירה של כדור הארץ, החללית תיצור חיכוך עם האטמוספירה בעת טיסה במהירויות גבוהות, והחום שלה יכול אפילו להגיע ליותר מ 2000 מעלות צלזיוס. כשהחללית תפרוץ מהאטמוספירה של כדור הארץ, החוויה הקשה לא תיעצר שם. בסביבת החלל, קרינה אולטרה סגולה, קרינת חלקיקים, קרינה תרמית וכו' יביאו אתגרים רבים לחללית. אפילו בסביבת ואקום, זה יהיה כמו "מכשיר כוסות". הוא גם בוחן את הסיבולת של עור החללית.
בנוסף, ישנם איומים גדולים שמציבים עצמים בחלל כגון מיקרו מטאורים בחלל ופסולת חלל. הם כמו כדורים תועים הבודקים את "כוחה" של החללית, וכל הבדיקות הנ"ל הניצבות בפני החללית אמורות להתקיים על ידי חומרי החללית.
החומרים הם עמוד תווך חשוב של המדע והטכנולוגיה המודרניים, ההתפתחות החברתית והכלכלית והביטחון הלאומי. מדינות רבות בעולם כללו טכנולוגיית חומרים בתוכניות המחקר הלאומיות המרכזיות שלהן בתחום הטכנולוגיה. התלות של ציוד תעופה וחלל בחומרים בולטת במיוחד. הסיבה לכך היא שהחומרים הם לא רק הנושאים בפועל של סביבת החלל הקשה, אלא לפעמים גם מבצעים משימות חשובות כגון אספקת חשמל, מיגון ופיזור חום.
עם זאת, הבחירה של חומרי החללית היא לא משימה קלה. מצד אחד, מכיוון שלחללית מבנה מורכב, הכולל דרישות להתנגדות לטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני פגיעה ואף עמידות בטמפרטורה נמוכה, יש לבצע ניתוח מקיף ובהתבסס על תכנון מבנה החללית, לאחר שקילה של דרישות ותנאים שונים, נקבע לבסוף החומר המתאים. מצד שני, מכיוון שמערכת החומרים הקיימת גדולה מאוד, חומרים חדשים מפותחים כל הזמן.
באופן כללי, מערכת החומרים של החללית מורכבת מאוד, בעיקר כולל חומרים מבניים שמבינים את נושא העומס של החללית, חומרים פונקציונליים שמבינים את הדרישות של בקרת טמפרטורה והתנגדות חום, ודלק לקידום הטיסה של החללית.
חומרים מבניים קשים ודקים
החומר המבני מבוסס על התכונות המכאניות והוא החומר המשמש לייצור הרכיבים נושאי הכוח. חומר זה דומה לעצמות של חללית, מעצבת צורתה.
עם זאת, חלקם של חומרים מבניים בחלליות הוא קטן מאוד. אם ניקח את הרקטה כדוגמה, חלקו של החומר המבני של פגז הרקטה בכללותו הוא כמעט זהה לשיעור של קליפת הביצה בביצה כולה. הסיבה לכך היא שעל רקטות, הדלק הוא "משקל מת" ולא ניתן להגדיל או להקטין בצהו כן. לכן, החוקרים ישימו את דעתם על פגז הרקטה ויהפכו את פגז הרקטה לדק יותר כדי להפחית את משקל הרקטה.
על כל קילוגרם ממשקל הרקטה, היא יכולה להגדיל את המטען שלה בקילוגרם אחד. פונקציה חשובה ניתן להוסיף ללוויינים נישאים וחלליות.
כאשר הרקטה מגיעה למהירות הקוסמית הראשונה, היא נושאת כוח גדול מאוד, אשר יכול להגיע בערך 7 פעמים המשקל שלה, אשר דורש חומרים כדי לעמוד בו. לא רק זאת, כאשר הרקטה עפה, היא מתמודדת גם עם חום אווירודינמי עצום שנוצר על ידי חיכוך עם האטמוספירה, והמנוע שלה גם פונה אנרגיית חום בלתי נתפסת.
במקרה זה, קל יותר את המשקל של החומר המבני, טוב יותר, גבוה יותר את הטמפרטורה עמיד בחום, טוב יותר, מידה מסוימת של כושר צורה נדרש. למרות טונגסטן ומתכות אחרות שאינן ברזל יש עמידות בטמפרטורה טובה יותר, הצפיפות שלהם גבוהה מאוד, ובמקביל הם יקרים מאוד וקשה לעצב, אשר מגדיל מאוד את עלות הייצור.
תחת אילוצים שונים, חומרי מתכת מבוססי ברזל, כלומר פלדה, נכנסו לתחום הראייה של חוקרים מדעיים. למרות הטמפרטורה עמיד בחום של פלדה רגילה יכול להגיע רק על 1,000 מעלות צלזיוס, השימוש ניקל, קובלט, טונגסטן ואלמנטים אחרים יכולים ביעילות להגדיל את הטמפרטורה של הפלדה, אפילו להגיע על 1500 מעלות צלזיוס, אז זה נקרא "superalloy". בו-זמנית. חומר זה הוא גם קל יחסית לעצב, ולכן זה תמיד היה יקירה של החללית.
מאוחר יותר, חוקרים גילו סגסוגות טיטניום. עם אותו כוח, חומר זה יש חלקים קלים יותר, ולכן הוא הפך "מתוק ומתוק" בחומרים מבניים החללית. עם זאת, בגלל התנגדות הטמפרטורה של סגסוגת טיטניום הוא גרוע יותר מזה של סגסוגת בטמפרטורה גבוהה, זה צריך להיות מרופד עם חומרים פונקציונליים עמידים בטמפרטורה גבוהה.
עם התקדמות חקר החלל של האנושות ופיתוח מדע החומרים, חומרים מרוכבים הפכו לכוח חדש בחומרים מבניים של חלליות. לדוגמה, פחמן פחמן, פחמן סיליקה וחומרים מרוכבים מבוססי קרמיקה אחרים יכולים לא רק לעמוד בטמפרטורות גבוהות של 2000 מעלות צלזיוס, אלא גם יש משקל קל מאוד.
בקיצור, ההתקדמות המהירה של חומרים וטכנולוגיות נלוות תקדם עוד יותר את הפיתוח של טכנולוגיית התעופה והחלל, ותאפשר לאנושות לראות רחוק יותר, ברור יותר, וללכת רחוק יותר ובטוח יותר.
