Почему полеты на луну не состоялись

Двигатель Ф-1 и Инконель Х-750.

Двигатель Ф-1 был построен по традиционной к тому времени схеме с охлаждаемой камерой сгорания из спаянных между собой трубок. Это решение – было как бы простым масштабированием достаточно отработанной схемы.

Но не все в нем допускало простое масштабирование. Рост размеров камеры сгорания в первом приближении пропорционально кубу линейных размеров, – ведет к такому же увеличению объема горячих излучающих газов. Площадь поверхности, воспринимающей излучение, – растет как квадрат линейных размеров. Таким образом, удельный поток лучистой энергии на поверхность стенки камеры с ростом размеров возрастает.

В малых двигателях трубки охлаждаемой стенки делались из чистого никеля. В Ф-1 жаропрочности никеля уже не хватало. Материал трубок пришлось изменять. Был использован достаточно новый материал никелевый сплав Инконель Х-750.

Сплав на 73% состоит из никеля и содержит еще 5 металлических компонент, включая алюминий и титан. Интерметаллид состава Ni₃(Al,Ti), выделяющийся из сплава в процессе т.н. дисперсионного твердения, является тем самым фактором, который обеспечивает рост жаропрочности сплава. Эта фаза имеет название γ`-фаза(гамма-штрих-фаза), а основной состав – просто γ-фаза.

Новая γ`-фаза имеет такую же гранецентрированную кубическую решетку, как и исходная фаза, но только отличается от нее параметром решетки. У нее решетка чуть плотнее – на десятые доли процента.

С применением Инконеля в составе ЖРД Ф-1 возникли технологические проблемы. Вот как они описаны в технологической истории программы(собственный перевод не даю – английским владеет практически каждый, словарь – под рукой, – а оппоненты с легкостью придерутся к нюансу перевода, – не так, дескать, перевел предложение, – и напрочь заговорят смысл, – увы, это уже стало нормой Интернет-дискуссий по серьезным вопросам )[6]:

In the production of less powerful liquid-rocket tubular-walled thrust chambers, usually of pure nickel, manufacturing engineers depended on manual torch brazing with alloys of a silver-based type. With the F- 1’s thrust levels up to 10 times those of prior engines, investigators knew that the old procedures needed some rethinking if the big new engine was going to hold together during a launch. For the tubes themselves, the nickel-alloy Inconel X-750 provided the high strength-to-weight ratio that was needed, but it imposed certain restraints in the brazing process. After experimentation, designers realized that technical reasons prohibited the conventional technique of torch brazing, and dictated a furnace brazing process. Then a secondary set of problems cropped up. Inconel X-750 included enough aluminum and titanium to form refractory oxides under brazing temperatures, so that “the surface of the Inconel is [121] not readily wet by most hazing alloys at elevated temperatures.” Thus the brazing procedures had to begin by electrolytically depositing a thin layer of pure nickel on the tubes to eliminate the refractory oxides on the brazing surface. Despite this minor drawback in the operation, furnace brazing promised several distinct advantages over the torch method by minimizing differences in thermal stresses, combining age-hardening of the tubes with the brazing operation, and eliminating the variables of hand methods.

Проблемы возникли на их законном месте – на стыке серебряного припоя и инконелевой тонкостенной трубки. Действительно, при нормальных температурах коэффициент линейного расширения никеля и никелевых жаропрочных сплавов(НЖС) в полтора раза меньше, чем у серебра. При высоких температурах оба коэффициента возрастают, отношение сокращается до 1.25, но абсолютная разница остается весьма ощутимой. Оказавшиеся в контакте материалы совместно остывают. И при этом возникают напряжения, которые сопоставимы с масштабом прочности этих материалов. В технологической истории предлагается объяснение, что происходил разрыв собственно адгезионного соединения – спая. Эта неприятность была преодолена применением поверхинконелевой тонкостенной (0.3 мм) трубки – слоя гальванического никеля. Который не позволил выделяться на поверхности окислам алюминия и титана.

Объяснение вполне правдоподобное. Но есть в нем и весьма сомнительный момент. Окислы алюминия и титана – хорошо отражают излучение.  Впрочем, про это и в цитируемой фразе и говорится.

А никель на самом деле весьма темный. Покрытие из гальванического никеля исключает выделение окислов не только при пайке, но и при штатной работе. И повышает общую поглощательную способность поверхности. Энергонапряженность стенки возрастает. Это довольно серьезные величины. Речь может идти о различиях в поглощающей способности в 1.15-1.3 раза. Так получилось, что автор данной работы – лазерщик, которому в своей лабораторной практике приходилось для текущих нужд практически оценивать поглощательную способность металлов на длине волны 1 мкм, приблизительно соответствующей спектральному максимуму излучения газов камеры сгорания Ф-1. Глаз моментально цепляется за такие вроде бы малозначимые вопросы, которые на самом деле выливаются в большие проблемы. Серьезное увеличение поглощательной способности поверхности означает, что системе охлаждения требуется отводить тепла в соответствующее количество раз больше. Если этого не сделать, то конечная температура теплоносителя и стенки оказывается больше – на добрую сотню градусов. А это выход на пределы расчетной жаропрочности стенок.

Или требуется полное перепроектирование системы охлаждения с увеличением потока теплоносителя, изменением проходного сечения трубок. Это, с очевидностью, не делалось. Но гальваническое покрытие трубок никелем просто требовало либо увеличения теплосъема, либо… уменьшения лучистого потока на стенку.

Проблемы никелевых жаропрочных сплавов.

Собственно само применение никелевого жаропрочного сплава в ответственной энергонапряженной конструкции да еще в виде механически слабых тонкостенных трубок в годы создания двигателя Ф-1 выглядит достаточно авантюрным.

Физика жаропрочности никелевых сплавов – разрабатывается по сей день. На настоящий момент представления о жаропрочности никелевых сплавов выглядят так. Дислокации(линейные дефекты решетки) основной γ- фазы не имеют возможности проникнуть в атомарно-упорядоченную структуру выделений  γ`-фазы. И обтекают ее. Но взаимодействие межфазной границы с дислокациями, тормозит движение дислокаций и препятствует ползучести и соответственно быстрому выходу детали из жаропрочного сплава из строя. Собственно основная γ- фаза практически лишена дислокаций, γ-фаза создает как бы каналы для перемещения дислокаций. Жаропрочные свойства сплава обеспечиваются фазовой стабильностью. Повышение температуры способствует растворению тормозящей дислокации γ`-фазы. И тем самым снижаются допустимые напряжения в материале. Диффузионный вывод легирующих элементов из выделений – порождает новые выделения, ухудшающие жаропрочные свойства сплава.

Довольно сложная схема. Так вот, в период создания Ф-1 даже само понятие о дислокациях было новым. Являлось математической заумью, которой не доверяли экспериментаторы. А экспериментальных доказательств справедливости дислокационных представлений о прочности и пластичности не было.

Вопрос решал энтузиазм ученых-одиночек. В 1960 году к работам по кинетике дислокаций приступил советский металлофизик-теоретик и энтузиаст дислокационной теории Алексей Николаевич Орлов.

В 1962-63 году появились статьи, продемонстрировавшие реальность представлений теоретиков[4,5] . В последней работе была экспериментально показана возможность существования т.н. источника Франка-Рида, который был предсказан теоретиками в качестве механизма размножения дислокаций под напряжениями. Дислокационная теория доказала свою дееспособность.

Но проблемы прочности и пластичности в ней были поставлены еще только в зачаточных, наиболее общих формах. Докторская диссертация по кинетике дислокаций, защищенная Орловым в 1967 году, была в сущности первой попыткой создания последовательной микроскопической теории пластичности, основанной на представлениях о дислокационной природе прочности и пластичности. До этого более-менее глубокие соображения по проблеме докладывались на конференциях 1965-66 годов. Собственно с этого момента металлофизика обрела теоретическое зрение. Она стала представлять себе, что в решетках материалов движется, а что тормозится и какими средствами.

До этого времени все, что делалось, могло делаться только на основе практически неосмысленного перебора вариантов или каких-то туманных интуитивных догадок. В частности, как свидетельствует советский и российский металлофизик директор ВИАМ, разработчик и исследователь физики жаропрочности акад. Е.Н.Каблов, жаропрочные сплавы первого поколения былинеоптимальны по составу, содержали элементы, которые выделяясь при тех или иных изменениях, ухудшали эффект жаропрочности, обнуляли его, создавали предпосылки для образования микротрещин и преждевременного разрушения сплавов.

Результат улучшения понимания металлофизиками природы происходящего в сплавах – не замедлило сказаться. Дислокационные представления сразу поставили вопрос о плотности тормозящих ползучесть образований. И в 1969 году на конференции в Цюрихе 5-6 мая прозвучал доклад, в котором жаропрочные свойства никелевых жаропрочных сплавов были представлены как функциональная зависимость от объемного содержания γ`-фазы(рис.1) [6]. Только после этого в 1970 в американской литературе получило хождение новое наименование никелевых жаропрочных сплавов – суперсплавы.

А жаропрочный сплав Инконель Х-750, использованный в Ф-1 и существование которого зафиксировал советский справочник по жаропрочным материалам, в указанном справочнике имеет характеристики жаропрочности, никак не связанные с фазовым составом. Просто: для такой-то температуры и 100-часовой длительной жаропрочности такой-то показатель. Данные с очевидностью американские. Космический материал – ноу-хау фирмы Рокетдайн. Которая к моменту начала полетов к Луне – не представляет, что материал в зависимости от температуры и длительности дисперсионного твердения(определяющих фазовый состав) может иметь жаропрочные свойства, отличающиеся в разы(см. рис.1). Что могло получиться при таком понимании свойств и технологии материала, оказавшегося в руках изготовителей Ф-1?

Сразу пометим себе, что сам факт использования Инконеля в виде проката – тонкостенных трубок, – предполагает его достаточно низкие характеристики. При содержании γ`-фазы более 50%(там, где жаропрочные свойства получше) – материал становится настолько твердым, что становится невозможной обработка его методами горячей деформации – только точное литье.

Новые неожиданности физики жаропрочных никелевых сплавов.

Но у жаропрочных никелевых сплавов оказалось еще одно неожиданное свойство, которое начало выявляться сравнительно недавно. На XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности и пластичности был представлен доклад по результатам исследования двух сломавшихся турбинных лопаток из двух разных никелевых сплавов с существенно разным начальным содержанием γ`-фазы(40% и 12%) . Отмечен рост твердости передней кромки пера по сравнению с задней, а само перо стало тверже по сравнению с замком. При этом наблюдалось увеличение объемного содержанияγ`-фазы и ее коагуляция в более крупные выделения. Разумеется, все это и создало предпосылки для разрушения.

Понятно, что материал турбинной лопатки создается в расчете не на 100 часов, а на многолетнюю эксплуатацию. Напряжения в лопатке много ниже предельных для рабочих температур. И не выходят за пределы упругих. Тем не менее, они таки вызвали и пластическое деформирование, и нарастание объема упрочняющей фазы за счет исходной, деградацию материала и предрасположенность к разрушению.

А что у нас было в Ф-1?

Пластическое деформирование при прокате.

Напряжения масштаба пределов прочности, возникающие при остывании инконеля, адгезионно связанного с припоем, имеющим существенно более высокий термический коэффициент линейного расширения. Это напряжение действовало на трубку годами – от момента производства до момента использования при старте или пробного пуска на стенде. Имеем  сразу две причины, способные серьезно повлиять на фазовый состав сплава и его предрасположенность к разрушению – сработавшие еще до старта или пуска двигателя.

А при пуске? А при пуске масштаб лучистых потоков на поверхность моментально возрастает до уровня 10⁴-10⁵ Вт/см². Это типичные масштабы лазерного воздействия. При 10⁶ Вт/см² речь идет уже о плавлении и испарении металла с поверхности. Теплоотвода внутрь материала не хватает. А при таких «умеренных» импульсных нагрузках материал, подвергнутый воздействию излучения выглядит примерно так(фото 1) [8]

В центре видно округлое зерно новой твердой фазы. Период между плоскостями скольжения, примыкающими к зерну, около 0.5 мкм.

В материале за один-единственный миллисекундный импульс с плотностью мощности того же масштаба, что и облучение стенки в камере сгорания, возникают ударные волны, под действием которых происходит фазовая модификация материала. Практически по тому же принципу, что и никелевых жаропрочных материалах. А именно: новая фаза имеет такую же, как у исходного материала ГЦК-структуру. А период решетки 0.3592 нм – на 0.1% меньше периода исходной фазы 0.3595 нм. Классическое условие жаростойкой модификации.  И материал, действительно, приобретает жаростойкие свойства. Новая фаза не желает отжигаться при 500⁰ С и медленно отжигается при 650⁰С. Собственно, использованный материал – железо-хромо-никелевый сплав – достаточно близкий родственник инконелям, нимоникам, нихромам. Просто неоптимального для задач жаропрочности состава.

И его поведение под лазерными импульсами – качественно демонстрирует, что может, а на самом деле – ДОЛЖНО – происходить в инконеле при стартовом импульсном лучистом поражении трубки. Ударные волны перелопачивают фазовую структуру сплава до неузнаваемости.

Причем происходит это в одном направлении.  Упрочняющая фаза накапливается, коагулирует в крупные образования, возникают деформации, микротрещины, предпосылки для разрушения. Характер кривой микротвердости – абсолютно типичный для многих других случаев фазовой модификации: возрастание микротвердости, прохождение максимума, деградация материала.

В нашем случае лазерной модификации было проведено исследование изменений по глубине материала. Регистрировалось изменение формы рентгеновской линии, в модифицированном случае состоявшей из суммы исходной пары рефлексов(на двух близкорасположенных линиях – дуплете  излучения рентгеновской трубки) и пары рефлексов новой фазы.

Рис. 3. Изменение формы рентгеновских рефлексов (311) и (200) ГЦК-сплава Х20Н20 после обработки лазерными имульсами по глубине материала. Измерения после послойного электрохимического травления. Пунктиром нарисовано исходное состояние линий.

Глубина серьезных изменений невелика. Около 100 мкм. Но для стеночного материала двигателя Ф-1 – это треть толщины материала. Треть расчетной прочности инконеля на обращенной к камере сгорания стороне – уничтожается в момент включения двигателя. Упрочняющая фаза из-за своего стремления к росту под действием напряжений – сама же и становится могильщиком. Был бы материалпотолще – ничего бы страшного. А вот 0.3 мм – это совсем ничего. Сопротивляться нечему. А больше тоже нельзя. Теплопроводностный перепад температур на толщине – выведет инконелевую трубку за пределы жаропрочности. Ловушка!

Американские конструктора ничего этого знать еще не могут. До нашего лазерного эксперимента еще более 20 лет с момента высадки лунных экспедиций.

Они могли оценивать напряжения теплового удара при пуске. И готовить материал с расчетом на эти дополнительные нагрузки

Но не могли знать о росте упрочняющей фазы – вплоть до разупрочнения. И про то, что этот процесс под действием ударной волны – моментальный. Все способно совершиться за тысячную долю секунды.

Двигатель обречен. Так же есть простое доказательство фальсификации лунных миссий.