Когда космический корабль возвращается на Землю, его корпус раскаляется до тысяч градусов. Кинетическая энергия превращается в тепло, и без надежной защиты аппарат просто сгорит в плотных слоях атмосферы. Эта проблема стала одной из главных на пути освоения космоса. Еще в середине прошлого века советские инженеры под руководством Сергея Королева впервые применили абляционное покрытие на основе асботекстолита для головной части ракеты. Позже для «Бурана» и американских шаттлов создавались плитки из кварцевого стекла и углерод-углеродных композитов, которые выдерживали до 1900 К, но были хрупкими и требовали колоссального обслуживания — только на осмотр и ремонт теплозащиты шаттла после каждого полета уходило около 40 тысяч человеко-часов.
Современные гиперзвуковые аппараты и перспективные системы вроде SpaceLiner ставят новые задачи. Время воздействия экстремальных температур увеличивается с нескольких минут до десятков минут, а материалы должны выдерживать уже до 2000 К, сохраняя прочность при вибрациях и химическом воздействии. Традиционный углерод в окислительной атмосфере быстро разрушается, а тугоплавкие металлы вроде вольфрама слишком тяжелы — их плотность в 4–6 раз выше, чем у карбида кремния, который термодинамически стоек до 2820 °С и имеет плотность всего 3,2 г/см³.
Ученые Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси пошли дальше и усовершенствовали технологию реакционного спекания, создав керамику Si/SiC, где поры карбидокремниевой матрицы заполнены свободным кремнием. При нагреве кремний плавится при 1415 °С и испаряется при 2350 °С, поглощая часть тепловой энергии за счет фазовых переходов, а тугоплавкая матрица сохраняет форму и прочность. Это похоже на принцип псевдосплава вольфрам-медь, но плотность нового материала в 5,5 раза ниже. Испытания на плазмотроне при тепловой нагрузке до 7 МВт/м² показали отличную стойкость: образец выдерживал температуры выше 2000 °С и скорости нагрева около 70 К/с, а скорость уноса материала оказалась ниже, чем у вольфрамово-медного аналога.
Дополнительно были созданы композиты на основе силицированной многослойной углеродной ткани, склеенной фенолформальдегидной смолой. Плотность такого материала всего 1,9 г/см³, а теплопроводность в 40–50 раз ниже, чем у порошковой карбидокремниевой керамики. Это делает его перспективным для тонкостенных и легких теплозащитных конструкций. Также исследовались образцы из измельченных углеродных волокон, предварительно силицированных в парах кремния, что заняло промежуточное положение между порошковой технологией и многослойной углетканью. Белорусские ученые не только решили проблему каталитической активности карбида кремния, но и предложили эффективный способ поглощения тепла за счет плавления и испарения кремния, что открывает новые возможности для создания многоразовых и гиперзвуковых летательных аппаратов.
Исследование опубликовано в журнале «Наука и инновации»
Изображение на обложке: разработано Magnific
