Эпические космические металлические загогулины
Любая машина состоит из штуковин, фиговин, и соединяющей их мелкой пофигени. Ракета тоже, только фиговины часто относятся к категории неудобных в изготовлении загогулин. В принципе, конструкторы ракет люди не злые, они вовсе не ставят себе целью испортить жизнь технологам, оно само так получается. Если насос должен вколачивать в блок форсунок под кубометр керосина в секунду, развивая на выходе 500 атмосфер, "два с половиной" таких насоса на одном валу вращаются турбиной в 200 кВт, и это чудо техники надо вкорячить в свободное местечко между камерами сгорания, то его невозможно изготовить из типовых комплектующих, нарытых в справочнике Анурьева. И даже если серьёзно урезать осетра, сделав что-то среднее по сложности между РД-170 и движком big dummy, то проблем все равно хватит. Если верить нашим официальным околокосмическим лицам, то загнивающие Штаты уже не могут справиться с этими проблемами: у них нет наших могучих заводов на изготовление новой ракеты на каждый пуск, и они от этого вынуждены обходиться многоразовыми, и у них нет наших рукастых левшей, поэтому они выпендриваются со всякими там роботами.
И они довыпендривались до увязки в одном техпроцессе SLM, HIP и упрочнения поверхностей ударными волнами от испарения жидкости лазером.
SLM, Selective Laser Melting, выборочное спекание лазером. Насыпаем слой пудры (не чихать!), спекаем её лазером в нужных местах, поверх насыпаем ещё слой, и так далее. Банальщина, если не считать того, что подходящий по мощности лазер и подбор режимов нагрева пудры --- два маленьких технических чуда. Да и результат какой-то подозрительный --- помимо внутренних термических напряжений деталь может содержать "нанотрещины" и "нанопоры", которые прочности не добавят. И для избавления от них дальше делается чудо в том духе, который мы, русские люди, любим --- чтоб оно было большим, внушающим почтение, и чтоб оно само всё делало, а машинисту оставалось только "пасти будильники", и то в полудрёме.
HIP, Hot Isostatic Pressing, горячее газостатирование. Берём большую бочку, помещаем в неё детальки, плотно закупориваем, подаём газ такой температуры, чтоб детальки почти плавились, и такого офигительного давления, чтоб любая микропора внутри детали схлопнулась в ноль. Просто? Да вообще элементарно. Одна беда --- тот же газ, который проминает металл детали как масло, будет давить на бочку изнутри, и если бочка это в состоянии выдержать, то надо делать ракету из чудо-материала той бочки, и не париться.
Стало быть, задачу удержания в бочке горячего газа под большим давлением надо разделить на две отдельные задачи --- удержания горячего газа и удержания газа под давлением. В прочную металлическую бочку, способную выдержать большое давление изнутри, помещается бочка из пористой керамики, которая давление не держит вовсе, зато хорошо держит температуру. В зазоре между внешней и внутренней бочкой газ будет иметь большое давление, но безопасно низкую температуру. И остаются только два маленьких затруднения. Во-первых, требования к прочности бочки все равно остаются запредельными, ей разопрёт стенки, а ещё раньше ей оторвёт дно. Во-вторых, у бочки надо закрыть крышку, а потом открыть, и так много-много раз. Если таких прочных бочек не бывает, то таких прочных крышек тем более не бывает. Ну, раз не получится сделать такую крышку и такое дно, пусть бочка будет без крышки и без дна. Просто кусок трубы. И если не бывает такой трубы, чтоб она могла выдержать такое давление изнутри, то возьмём трубу, которая может выдержать такое по величине давление снаружи. Будем наматывать на эту трубу сильно натянутую струну, тогда струна будет сжимать трубу, и чем больше этой струны мы намотаем, тем больше будет суммарное сжатие. Когда давление внутри трубы попробует раздуть её, давление снаружи будет уравновешивать бОльшую часть давления внутри. Одна беда, струна будет стареть, растягиваться, при этом, в отличие от рояля, у нас не получится настроить её натяжение, просто подкрутив колок. Эта проблема решается сооружением вокруг нити рубашки с водой --- нить будет сохранять натяжение дольше, если она будет охлаждена до одной и той же постоянной температуры. Осталось к этой прочной трубе как-то приладить дно и крышку, и для этого используется принцип спичечного коробка. Представьте себе, что у выдвижной части коробка сделаны прочные жёсткие стенки, в виде единой толстой рамы с намоткой, но эластичное дно, и эта выдвижная часть снабжена съёмной герметичной, но эластичной крышкой. А внешняя часть коробка --- ещё одна единая толстая рама с ещё одной намоткой и водяной рубашкой. Если такой "спичечный коробок" закрыть, то в сумме две эти рамы образуют единый прочный корпус. Давление на эластичное дно внутренней рамы передастся на внешнюю раму и уравновесит давление, передаваемое на внешнюю раму эластичной гермокрышкой.
Игла в яйце (деталь после SLM уже здорово нагрета, и чем её охлаждать как попало, лучше положить её в переносной теплоизолирующий керамический гробик, и поместить в газостат по-прежнему горячей. Когда газ в газостате достаточно нагреется, он расплавит застёжки гробика и тот раскроется, обеспечив свободную циркуляцию газа), яйцо в утке, утка в зайце (металлические решётки и стелажи, не в руках же таскать каждый гробик), заяц в керамической духовке, духовка в выдвижном гермоконтейнере, гермоконтейнер в запирающей раме, весь газостат в подвальном помещении, выстроенном с тем расчётом, чтобы при аварии обломки улетели строго вверх и упали строго назад, а остальной завод уцелел.
Одна беда. Горячее газостатирование не убирает микропоры на поверхности. Горячий газ проходит в них и его давление предотвращает схлопывание. Поэтому проводится "лазерная дробеструйка" (LSP, Laser Shock Peening): поверхность детали покрывается тонким слоем чёрного лака (в котором при необходимости содержится и какая-нибудь химия, полезная поверхностному слою детали), лак покрывается слоем воды или прозрачного желе, и по этой лаковой плёнке начинает лупить очень мощный импульсный лазер. обстреливая одно маленькое пятно за другим. Когда лазерный луч попадает по плёнке, она мгновенно нагревается и испаряется, прилегающая вода или желе тоже мгновенно испаряется. Ударная волна этого микровзрыва лупит по детали, упрочняя её поверхность наподобие дробеструйки, только поверхность остаётся такой же гладкой, как и была. Лаковая плёнка или разрушается в процессе, или смывается потом.
За всё время производства эту деталь не только никто в руки не берёт, но и не видит иначе как на экране. Кстати, это уменьшает риск появления органики в будущем кислородном тракте движка, то есть риск возгорания движка.
Как видите, ничего сложного и тем более интересного.
И они довыпендривались до увязки в одном техпроцессе SLM, HIP и упрочнения поверхностей ударными волнами от испарения жидкости лазером.
SLM, Selective Laser Melting, выборочное спекание лазером. Насыпаем слой пудры (не чихать!), спекаем её лазером в нужных местах, поверх насыпаем ещё слой, и так далее. Банальщина, если не считать того, что подходящий по мощности лазер и подбор режимов нагрева пудры --- два маленьких технических чуда. Да и результат какой-то подозрительный --- помимо внутренних термических напряжений деталь может содержать "нанотрещины" и "нанопоры", которые прочности не добавят. И для избавления от них дальше делается чудо в том духе, который мы, русские люди, любим --- чтоб оно было большим, внушающим почтение, и чтоб оно само всё делало, а машинисту оставалось только "пасти будильники", и то в полудрёме.
HIP, Hot Isostatic Pressing, горячее газостатирование. Берём большую бочку, помещаем в неё детальки, плотно закупориваем, подаём газ такой температуры, чтоб детальки почти плавились, и такого офигительного давления, чтоб любая микропора внутри детали схлопнулась в ноль. Просто? Да вообще элементарно. Одна беда --- тот же газ, который проминает металл детали как масло, будет давить на бочку изнутри, и если бочка это в состоянии выдержать, то надо делать ракету из чудо-материала той бочки, и не париться.
Стало быть, задачу удержания в бочке горячего газа под большим давлением надо разделить на две отдельные задачи --- удержания горячего газа и удержания газа под давлением. В прочную металлическую бочку, способную выдержать большое давление изнутри, помещается бочка из пористой керамики, которая давление не держит вовсе, зато хорошо держит температуру. В зазоре между внешней и внутренней бочкой газ будет иметь большое давление, но безопасно низкую температуру. И остаются только два маленьких затруднения. Во-первых, требования к прочности бочки все равно остаются запредельными, ей разопрёт стенки, а ещё раньше ей оторвёт дно. Во-вторых, у бочки надо закрыть крышку, а потом открыть, и так много-много раз. Если таких прочных бочек не бывает, то таких прочных крышек тем более не бывает. Ну, раз не получится сделать такую крышку и такое дно, пусть бочка будет без крышки и без дна. Просто кусок трубы. И если не бывает такой трубы, чтоб она могла выдержать такое давление изнутри, то возьмём трубу, которая может выдержать такое по величине давление снаружи. Будем наматывать на эту трубу сильно натянутую струну, тогда струна будет сжимать трубу, и чем больше этой струны мы намотаем, тем больше будет суммарное сжатие. Когда давление внутри трубы попробует раздуть её, давление снаружи будет уравновешивать бОльшую часть давления внутри. Одна беда, струна будет стареть, растягиваться, при этом, в отличие от рояля, у нас не получится настроить её натяжение, просто подкрутив колок. Эта проблема решается сооружением вокруг нити рубашки с водой --- нить будет сохранять натяжение дольше, если она будет охлаждена до одной и той же постоянной температуры. Осталось к этой прочной трубе как-то приладить дно и крышку, и для этого используется принцип спичечного коробка. Представьте себе, что у выдвижной части коробка сделаны прочные жёсткие стенки, в виде единой толстой рамы с намоткой, но эластичное дно, и эта выдвижная часть снабжена съёмной герметичной, но эластичной крышкой. А внешняя часть коробка --- ещё одна единая толстая рама с ещё одной намоткой и водяной рубашкой. Если такой "спичечный коробок" закрыть, то в сумме две эти рамы образуют единый прочный корпус. Давление на эластичное дно внутренней рамы передастся на внешнюю раму и уравновесит давление, передаваемое на внешнюю раму эластичной гермокрышкой.
Игла в яйце (деталь после SLM уже здорово нагрета, и чем её охлаждать как попало, лучше положить её в переносной теплоизолирующий керамический гробик, и поместить в газостат по-прежнему горячей. Когда газ в газостате достаточно нагреется, он расплавит застёжки гробика и тот раскроется, обеспечив свободную циркуляцию газа), яйцо в утке, утка в зайце (металлические решётки и стелажи, не в руках же таскать каждый гробик), заяц в керамической духовке, духовка в выдвижном гермоконтейнере, гермоконтейнер в запирающей раме, весь газостат в подвальном помещении, выстроенном с тем расчётом, чтобы при аварии обломки улетели строго вверх и упали строго назад, а остальной завод уцелел.
Одна беда. Горячее газостатирование не убирает микропоры на поверхности. Горячий газ проходит в них и его давление предотвращает схлопывание. Поэтому проводится "лазерная дробеструйка" (LSP, Laser Shock Peening): поверхность детали покрывается тонким слоем чёрного лака (в котором при необходимости содержится и какая-нибудь химия, полезная поверхностному слою детали), лак покрывается слоем воды или прозрачного желе, и по этой лаковой плёнке начинает лупить очень мощный импульсный лазер. обстреливая одно маленькое пятно за другим. Когда лазерный луч попадает по плёнке, она мгновенно нагревается и испаряется, прилегающая вода или желе тоже мгновенно испаряется. Ударная волна этого микровзрыва лупит по детали, упрочняя её поверхность наподобие дробеструйки, только поверхность остаётся такой же гладкой, как и была. Лаковая плёнка или разрушается в процессе, или смывается потом.
За всё время производства эту деталь не только никто в руки не берёт, но и не видит иначе как на экране. Кстати, это уменьшает риск появления органики в будущем кислородном тракте движка, то есть риск возгорания движка.
Как видите, ничего сложного и тем более интересного.