Сергей Песков - История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей

Тонирование пленками является наиболее простым видом с точки зрения технологии и применимо к любому виду стекол. Качественные пленки могут задерживать ультрафиолет и инфракрасные лучи. Производимые последнее время тонировочные пленки обладают достаточно высокой устойчивостью к царапинам. Стандартами ограничена степень тонирования автомобильных стекол и установлено светопропускание ветрового стекла не менее 80 % и не менее 65 % заднего и боковых стекол соответственно.

Основным материалом для производства автостекла является кремнезем (песок). В результате реакции с разными оксидами в процессе нагревания и плавления образуется основа для стекла.

Этапы производства:

– исходные материалы смешивают в определенной пропорции. Технология позволяет использовать отходы стекла в качестве сырья;

– смесь нагревают до расплавления, и она попадает в жидком виде в поплавковую камеру с температурой 1000 °C;

– растекаясь по абсолютно ровной поверхности камеры, она перемещается к выходу, где температура составляет 600 °C;

– тяжелые примеси оседают на дно камеры, а стекло на выходе твердеет.

– далее, начинается процесс отжига, при котором идет снижение до 200 °C, а после выхода из камеры – до комнатной температуры;

– охлажденное стекло, уже достаточно крепкое и прочное, разрезают на прямоугольные заготовки при помощи алмазного резца. Для того чтобы придать заготовкам нужную форму, их помещают в стеклоплавильную печь для нагрева до температуры, обеспечивающей пластичность стеклу (850 °C), и придают нужную форму с помощью металлического шаблона;

– следующий этап – закалка стекла в специальной решетке. Она заключается в быстром охлаждении струей холодного воздуха. Это делается для формирования в стекле направленных напряжений сжатия. Прочность стекла и его упругость повышаются, что очень важно для стекол автомобиля.

Полученные продукты могут использоваться не только целенаправленно – для автомобилей, но и в других областях промышленности – мореходной, строительной, авиационной.

При создании в нашей стране первых космических кораблей разработка иллюминаторов оказалось крайне сложной задачей. Для космических проектов стекло, которое применялось для фонарей и иллюминаторов самолетов, не годилось – не те температуры и нагрузки.

Первые иллюминаторы были круглыми – таких было проще рассчитать и изготовить. Кроме того, корабли, как правило, могли управляться без участия человека, и, соответственно, не было необходимости в слишком хорошем обзоре «по самолетному». Гагаринский «Восток» имел два иллюминатора. Один размещался на входном люке спускаемого аппарата, чуть выше головы космонавта, другой – у его ног в корпусе спускаемого аппарата.

Важным этапом в «окностроении» стало создание остекления для космических самолетов – «Спейс Шаттла» и «Бурана». «Челноки» сажают по-самолетному, а значит, пилоту необходимо обеспечить хороший обзор из кабины. Поэтому разработчики предусмотрели по шесть больших иллюминаторов сложной формы. Плюс по паре в крыше кабины – это уже для обеспечения стыковки. Плюс окна в задней части кабины – для операций с полезным грузом. И наконец, по иллюминатору на входном люке.

Когда «челнок» уже на орбите, иллюминаторов оказывается «слишком много» – кабина перегревается, экипаж получает лишний «ультрафиолет». Поэтому во время орбитального полета часть иллюминаторов в кабине «Шаттла» закрывают кевларовыми заслонками-ставнями. А вот у «Бурана» внутри иллюминаторов имелся фотохромный слой, который темнел при действии ультрафиолетового излучения и «лишнего» в кабину не пропускал.

«Для космоса» используется не обычное стекло, а кварцевое. Во времена «Востока» выбор был не особо велик – доступны были лишь марки СК и КВ (последняя – не что иное, как плавленый кварц). Позже создали и испытали много других разновидностей стекла (КВ1 °C, К-108). Пробовали даже использовать в космосе оргстекло марки СО-120.

Для обеспечения требуемого уровня надежности стекол в иллюминаторе изначально стали делать несколько. В случае чего одно стекло разрушится, а остальные останутся, сохраняя корабль герметичным. Отечественные иллюминаторы на «Союзах» и «Востоках» имели по три стекла (на «Союзе» есть один двухстекольный, но он большую часть полета прикрыт перископом).

Стекла внутри иллюминатора протереть тряпочкой во время полета уже не получится, а потому никакой мусор в камеру (межстекольное пространство) попадать категорически не должен. Кроме того, стекла не должны ни запотевать, ни замерзать. Поэтому перед стартом у космического корабля заправляют не только баки, но и иллюминаторы – камеру заполняют особо чистым сухим азотом или сухим воздухом. Чтобы «разгрузить» собственно стекла, давление в камере предусматривается вдвое меньшим, чем в герметичном отсеке. Наконец, желательно, чтобы с внутренней стороны поверхность стенок отсека не была слишком горячей или слишком холодной. Для этого иногда устанавливают внутренний экран из оргстекла.

На данный момент противометеоритные прозрачные покрытия не имеют аналогов в мире. Они защищают иллюминаторы от космической пыли.

Прозрачные многослойные наноструктурные металлокерамические покрытия обладают высокой релаксационной способностью (свойство материала гасить энергию), что позволяет защитить стекло от ударов высокоскоростных микрочастиц. Такие покрытия имеют несколько разделительных границ между наноструктурными слоями специально подобранных материалов, что позволяет им рассеять энергию от удара вдоль поверхностного слоя стекла, избежав появления на нем кратера. Ученые поясняют, при бомбардировке микрочастиц со скоростью 5–8 км/с резко уменьшается количество образующихся кратеров. Это позволяет стеклу сохранять в течение длительного срока эксплуатации свои оптические свойства и прозрачность.

При полете космического аппарата к одной из комет в ее составе было обнаружены две «головы» – ядра. Это было признано важным научным открытием. Потом выяснилось, что вторая «голова» появилась вследствие запотевания иллюминатора, приведшего к эффекту оптической призмы.

Стекла иллюминаторов не должны изменять светопропускания при воздействии на них ионизирующего излучения от фоновой космической радиации и космических излучений, в том числе – в результате вспышек на Солнце.

Взаимодействие электромагнитных излучений Солнца и космических лучей со стеклом – вообще явление сложное. Поглощение излучения стеклом может привести к образованию так называемых «центров окраски», то есть к уменьшению исходного светопропускания, а также вызвать люминесценцию, поскольку часть поглощенной энергии может немедленно выделиться в виде световых квантов.