В. Парфенов - Возвращение из космоса

Все керамические материалы-плохие проводники тепла. Используя эту особенность керамики, специалисты ряда стран уже теперь применяют ее для защиты важных узлов ракеты от перегрева. Слоем сверхогнеупорной керамики, как защитной рубашкой, не пропускающей тепло, покрываются сопла реактивных двигателей [26]. Теплоизолирующие покрытия будут защищать основную металлическую конструкцию от интенсивного окисления, сохранять ее прочность.

Как же наносится слой керамики на металл? Для этого используется метод горячего напыления. Из своеобразного пульверизатора вылетают мельчайшие расплавленные в сварочной дуге частички керамики. Ударяясь о металл, они остывают и прилипают к детали. Методом горячего напыления наносятся на изделия из металла окись алюминия (так называемое покрытие «РокидА») и двуокись циркония («Рокид2»). Толщина покрытия колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Каждый миллиметр покрытия из окиси алюминия снижает температуру защищаемого металла на 13 °C, а из окиси циркония — на 175 °C.

Напыленный защитный слой обычно имеет много мельчайших пор. Эти поры придают покрытию гибкость, необходимую для того, чтобы выдержать изгибы.

Металлические детали, покрытые окисью алюминия, работают при температуре до 165 °C. Окись циркония защищает металл до 230 °C. Оба эти покрытия стойко переносят тепловой удар и не боятся изгибов. Чем толще напыленный слой керамики, тем он менее прочен. Чтобы увеличить толщину покрытия и в то же время сохранить его прочность, керамикой покрывают вначале металлическую сетку, которой придана форма покрываемой поверхности. Затем эта сетка, покрытая керамикой, припаивается или приваривается к защищаемой поверхности. Такое покрытие называется армированным. Тонкие металлические нити сетки, подобно стальным стержням в железобетоне, придают керамике высокую прочность.

Армированные керамические покрытия способны выдерживать температуру до 220 °C и создавать температурный перепад 22 °C на каждый миллиметр толщины покрытия.

На рис. 11 показано, насколько эффективны теплоизоляционные покрытия, нанесенные на лист жаропрочного никель-хромового сплава толщиной 1,27 мм. Листы без керамической защиты и покрытые слоем керамики нагревались в течение 30 секунд пламенем кислородноацетиленовой горелки. При этом температура листа измерялась. Оказалось, что покрытия «Рокид А» и «Рокид 2» толщиной 0,89 мм уменьшают температуру металлического листа после 15-секундного нагрева примерно на 30 °C, армированное покрытие толщиной 3,45 мм — почти на 90 °C.

Тяжелые тепловые условия входа межпланетного корабля в земную атмосферу требуют новых керамических покрытий и новой технологии нанесения их на металлические поверхности [27]. Если на земле керамические покрытия работают в течение сотен и тысяч часов, то при космических полетах и особенно при возвращении из космоса от покрытий потребуется сохранение стойкости всего в течение нескольких минут, но зато при чрезвычайно высоких температурах.

Как получить в земных условиях сверхвысокие температуры, необходимые для опытной проверки деталей и узлов космической техники? На этот вопрос отвечает следующий раздел брошюры.

У человека в синем халате необычные темные очки. В руке «пистолет» с коротким толстым стволом. От него — провода к маленькому железному шкафу. Человек нажимает «курок», и из ствола вырывается ослепительно яркий огненный нож. На этот бело-голубой язычок нельзя взглянуть без очков даже за десятки метров. Кто-то образно сказал: сварщик взял в руки кусочек солнца.

«Пистолет» в руках человека — это плазменная горелка — новый, невиданный ранее источник тепла. Струйки плазмы — «небесный огонь», он легко сжигает метеориты, превращает в пар самые тугоплавкие вещества Вселенной. Температура такой струйки достигает 20 00 °C и выше [28].

В течение многих десятилетий ученые пытались найти такой необычный источник тепла. Еще недавно они считали, что ни при каких химических реакциях нельзя достичь температур выше 470 °C. И они были правы: химическое взаимодействие атомов не позволяет получить такие температуры.

Между тем нужда в источнике тепла с более высокой температурой с каждым годом становилась острее. Необходимо было изучить на земле процессы сгорания тугоплавких веществ, чтобы можно было создать аппарат, способный выдержать сверхвысокий нагрев при возвращении из космоса.

И вот на помощь исследователям пришла плазма. Первым генератором плазменной струи, или, как говорят, плазматроном, была… обычная сварочная дуга. Попытку создать плазматрон предпринял еще в 1920 году немецкий физик Гердьен. Он, конечно, не думал тогда о проблеме возвращения из космоса, а просто стремился создать прибор, позволяющий получить высокую температуру. Но его попытка была безуспешной.

Чтобы разобраться в работе генератора плазмы, рассмотрим процесс образования тепла в обычной электрической дуге. При включении постоянного напряжения в зазоре между электродами появляются электроны. Под действием электрического потенциала они вырываются из катода и движутся к аноду. На своем пути электроны сталкиваются с атомами и молекулами газов, входящих в состав воздуха. Некоторые из атомов и молекул при столкновениях разрушаются, теряя часть электронов. Газы ионизируются.

Образовавшаяся в первый момент струйка электронов быстро увеличивается. Вследствие ударов электронов анод сильно разогревается и сам начинает испускать положительно заряженные частицы молекул — ионы. Под действием напряжения они устремляются к катоду — навстречу электронам. Этот поток «выбитых» из анода ионов образует электрическую дугу.

В смеси электронов и ионов — электрически заряженных частиц — наблюдается сложное взаимодействие между механическими и электромагнитными силами. Оно изучается новой наукой — магнитогазодинамикой. Именно эта молодая наука и указала пути увеличения температуры электрической дуги.

Оказывается, для повышения температуры дуги нужны более частые соударения электронов с атомами и ионами. А для этого плазму надо как-то сжать, увеличить ее внутреннее давление. Чтобы добиться этого, электрическую дугу помещают в небольшую цилиндрическую камеру (рис. 12) из металла или кварца — плазматрон. Одно днище камеры-с отверстием в центре — служит катодом, а в противоположное, точно против отверстия, вставляется стержень-анод.