Металл космической эпохи

Фото пресс-службы ГК "Роскосмос"

Историческому полету Юрия Гагарина исполнилось 64 года. С самого начала космической эры алюминий играет ведущую роль в освоении пространства за пределами Земли. Сочетание легкости, прочности и устойчивости к экстремальным условиям сделало этот металл незаменимым в космических кораблях, ракетах, спутниках, орбитальных станциях. Можно сказать, что на самом деле именно этот металл — первое, что человечество вывело на орбиту. И замены ему не видно.

Шарик, изменивший человечество

12 апреля 1961 года состоялся полет Юрия Гагарина в космос. В этом полете его окружал алюминий: сплавы из этого металла использовались в герметичном корпусе спускаемого аппарата, приборном отсеке, трубопроводах, силовых деталях, системах жизнеобеспечения корабля «Восток-1», а также в топливных баках ракеты Р-7.

К тому времени произведенный на Земле алюминий уже успел не раз побывать в космическом пространстве. В октябре 1957 на орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли «ПС-1». Он имел корпус из двух полусфер диаметром 58 см, изготовленных из алюминиево-магниевого сплава толщиной 2 мм. Как однажды выразился по этому поводу бывший президент РАН Юрий Осипов, в космос отправили «небольшой алюминиевый шарик с радиопередатчиком — однако именно этот шарик неожиданно изменил мировоззрение, без преувеличения, миллиардов жителей нашей планеты».

Спустя два года алюминий добрался с Земли уже на Луну: советская автоматическая межпланетная станция «Луна-2», первой достигшая поверхность спутника, тоже представляла собой шар из этого металла. Так что космонавтика с самого рождения идет рука об руку с алюминиевой отраслью.

Алюминиевое послание инопланетянам

«Луна-2» доставила в подарок нашему спутнику алюминиевые вымпелы с изображением советского герба и надписями «СССР». После этого появилась традиция устанавливать такие вымпелы на всех советских межпланетных станциях. Кроме Луны, они были успешно отправлены на Венеру и Марс.

Алюминий был выбран для этого прежде всего из-за малого удельного веса и высокой прочности. Изготавливали «визитки» ограниченными тиражами. Копии космических вымпелов из выпущенных партий раздавали в качестве сувениров: самый первый из них Никита Хрущев подарил Дуайту Эйзенхауэру на следующий день после того, как «Луна-2» достигла цели. Сейчас на Земле они составляют большую коллекционную редкость, но мы точно знаем, где еще в Солнечной системе их можно найти.

Именно алюминий стал носителем нескольких посланий человечества внеземным цивилизациям. Из него сделаны пластинки «Пионера» — два металлических листа с символьной информацией о Земле и Вселенной, которые в 1972-1973 годах были отправлены в космическое пространство на зондах НАСА «Пионер». А золотые пластинки со звуковыми и видеозаписями, которые в 1977 году отправили с Земли на аппаратах «Вояджер», на самом деле состоят из меди и алюминия. Они упакованы в алюминиевые футляры с выгравированной схемой, как воспроизвести записи, и некоторыми дублирующими пластинки «Пионера» изображениями.

Как фольга спасла космическую почту

Самая интересная история про алюминий в «Вояджерах» — о том, почему критически важные части обоих космических зондов покрыты обычной алюминиевой фольгой для запекания.

В последний момент перед запуском ученые забили тревогу. Выяснилось, что радиационное и магнитное поля Юпитера сильнее, чем изначально предполагалось. А «Вояджерам» предстояло пролететь очень близко от газового гиганта. Расчеты показали, что это станет концом всей аппаратной электроники. Решить такую проблему несложно, достаточно экранировать кабели. Но сделать это нужно было быстро, без задержек, чтобы не пропустить планетарное выравнивание, ведь следующее окно для подобных миссий откроется лишь в XXII веке. А времени было в обрез.

Тогда техник НАСА сходил в ближайший супермаркет и скупил всю пищевую фольгу, команда инженеров нарезала ее на полосы и обернула каждый внешний кабель на обоих космических аппаратах. Импровизированное алюминиевое решение сработало. Сейчас «Вояджер-1» уже в 25 млрд км от нашей планеты и является самым удаленным от Земли объектом из созданных человеком. Так что если когда-нибудь зонды успешно доставят космические письма землян братьям по разуму, немалая заслуга в этом будет у алюминия.

Космический металл

Алюминий широко используется во всех космических полетах. Малый вес алюминиевых конструкций позволяет снизить расход топлива и обеспечить большую грузоподъемность. Поэтому на сплавы из этого металла приходится от 50% до 90% общей массы космических кораблей.

Эти материалы применялись для изготовления американских космических челноков «Спейс шаттл» (90% их массы — алюминиевые сплавы), советского «Бурана», космического телескопа «Хаббл». Алюминий — неотъемлемый элемент всех ракетных баков, носовых частей ракет, конструкций разгонных блоков, корпусов орбитальных космических станций, крепежей для солнечных батарей на них и множества других конструкций.

Алюминиевый сплав настолько хорошо показал себя в испытаниях на устойчивость к ударам, что на Международной космической станции (МКС) его применили в качестве материала для ставней, которые защищают окна от повреждения космическим мусором. А для российского сегмента МКС изготовлен многофункциональный исследовательский модуль МИМ-2 «Поиск». Его корпус и силовой блок выполнены из алюминиевых сплавов. Модуль используется в качестве шлюзового отсека для выхода в открытый космос, порта для стыковок с МКС пилотируемых кораблей и лаборатории для проведения экспериментов.

Частью американского сегмента станции стал выполненный из алюминиевых сплавов модуль Unity — цилиндрическая конструкция с шестью люками для подсоединения других компонентов МКС. Модуль весит 11612 кг и состоит из более 50 тыс. деталей и элементов.

Что общего у РУСАЛа с Маском

Другой пример — ракета многоразового использования Falcon 9, разработанная инженерами компании SpaceX Илона Маска: ее обтекатель изготовлен из ячеистой сотовидной алюминиевой основы с многослойным углепластиковым покрытием. Из алюминиево-углепластикового композита выполнена и оболочка переходного отсека между первой и второй ступенями. На обеих ступенях установлены топливные баки из алюминиевого сплава.

В марсоходе Perseverance, который прибыл на Красную планету в 2021 году, шесть колес диаметром более полуметра изготовлены из алюминия и оснащены специальными шипами. К колесам для марсохода предъявлялись особые требования, потому что из-за отсутствия дождей и эрозии поверхность планеты покрыта очень острыми камнями.

Оксид алюминия также является твердым топливом для ракетных ускорителей, разгоняющих первую ступень космических кораблей. Например, самая мощная в мире ракета-носитель «Сатурн-5», способная вывести на околоземную орбиту 140-тонный груз, за время полета сжигает 36 т порошка оксида алюминия.

Кроме того, вошло в обиход создание сплавов, порошков и композитов для 3D-печати деталей и узлов космических аппаратов. В России одним из лидеров этого направления считается алюминиевая компания РУСАЛ. Она создает материалы для аддитивных технологий и готовые инженерные решения. Например, из разработанного ее учеными алюминиевого сплава на 3D-принтере был напечатан элемент для спутника «Ярило», запущенного в 2020 году. В космических технике широко используется ее металл. Символично, что День космонавтики 12 апреля в календаре находится рядом с днем рождения РУСАЛа (30 марта).

Жюль Верн по-прежнему в тренде

На обозримую перспективу позиции алюминия в вопросах покорения космоса непоколебимы. Этот металл точно будет присутствовать, например, на лунной базе. Один из проектов предполагает, что она будет состоять из шести цилиндрических модулей 17 м в длину и 6 м в диаметре — в каждом модуле смогут разместиться 8 человек. А выполнить конструкции предлагается из алюминия. Кстати, на Луне есть и материал для такого строительства. Может быть, со временем РУСАЛ откроет на спутнике Земли свой филиал.

На Марсе алюминий потребуется не только для строительства жилых модулей, но и в авиации и авиационной инфраструктуре. При колонизации Красной планеты трудно будет обойтись без вертолетов. Испытания винтокрылой машины в реальных условиях уже прошли: в 2021 году базирующийся на марсоходе миниатюрный роботизированный вертолет Ingenuity совершил первый в истории управляемый полет на другой планете. Его несущий винт изготовлен из композитного алюминиево-бериллиевого сплава. Для более тяжелых аппаратов потребуются еще и мобильные взлетно-посадочные площадки, которые тоже делаются из алюминиевых сплавов, — это удобная и легко монтируемая инфраструктура.

Такие проекты могут показаться фантастикой. Но в середине XIX века точно такой же фантастикой были полеты в космос. Между прочим, уже тогда Жюль Верн предсказал, что алюминий будет играть в них ведущую роль. Герои его романов «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны» путешествуют к спутнику Земли в выстреленном из пушки снаряде-вагоне, который выполнен из алюминиевого сплава. Писатель-визионер не угадал с технологией, но материал выбрал безошибочно. До сих пор в фантастическом кино — от «Марсианина» до «Звездных войн» — встречается немало прозрачных отсылок к алюминию. Со времен Жюля Верна ситуация по сути изменилась мало — ничего лучше алюминия для освоения космоса не придумали.