Текст книги "Юный техник, 2005 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

ЖУРНАЛ «ЮНЫЙ ТЕХНИК»
_{НАУКА ТЕХНИКА ФАНТАСТИКА САМОДЕЛКИ}
№ 3 март 2005

Популярный детский и юношеский журнал.

Выходит один раз в месяц.

Издается с сентября 1956 года.

КУРЬЕР «ЮТ»
Мир металла

Столпотворение участников и посетителей, вспышки фотокамер и огоньки видеосъемки, улыбки, речи и музыка – все это сопровождало открытие очередной, уже десятой по счету, Международной специализированной выставки «Металл-Экспо 2004», в которой приняли участие более 700 компаний и фирм из 40 стран мира. Среди прочих участников на ней побывал и наш специальный корреспондент В.ЧЕТВЕРГОВ. И вот что он там узнал.

Как закалялась сталь?

Металлургия, как известно, одна из самых консервативных отраслей промышленности. Вот уже какое тысячелетие человечество все выплавляет металл из руды с той лишь разницей, что печи стали побольше да некоторые из них теперь обогреваются не углем, а электричеством.

А о том, что сталь необходимо закалять, знали еще античные металлурги и кузнецы. Так, знаменитый Гомер в своей «Одиссее», написанной чуть ли не за тысячу лет до нашей эры, указывает, что «крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь»…

Этой технологии и по сей день придерживаются деревенские кузнецы, остужая откованные подковы в холодной воде. С той лишь разницей, что после исследований замечательного русского металлурга Д.К. Чернова, сделанных им сто лет тому назад, стала известной и физическая суть этого процесса.

Быстро остывая в холодной воде, сталь при этом образует упорядоченную структуру, мелкие твердые зерна, а не большие и менее прочные, как при постепенном остывании на воздухе.

Впрочем, технологи знают и многие другие хитрости. Сталь закаляют и в масле, и в специальных смесях… Современные металловеды также добавляют в сталь вольфрам, молибден и другие легирующие, то есть упрочняющие, элементы. В итоге за последние полвека, например, прочность чугуна, стали и легких сплавов выросла приблизительно в 10 раз. Без этого мы не имели бы теперь ни высотных телевизионных башен, ни сверхмощных турбин, ни космических кораблей.

И все же возможности дальнейшего повышения прочности материалов не исчерпаны. До ее теоретического предела, вычисленного физиками, еще далеко. Поэтому ученые продолжают прокладывать дорогу к этому запрятанному в недрах вещества кладу, проявляя иной раз завидное хитроумие.

Вот тому хотя бы несколько примеров.

Вода против усталости

Для человека лучший способ взбодриться – принять душ. Оказывается, водный душ не помешает и металлу. Именно усталость металла – наиболее частая причина аварий высокооборотных моторов, турбин, самолетов. Сравнительно небольшие, но многократно действующие нагрузки способны расшатать структуру металла, вызвать появление предательской усталостной трещины, а затем и разрушение конструкции.

Чтобы деталь подольше не «уставала», чтобы она лучше сопротивлялась разрушающим нагрузкам, ее обычно упрочняют – наклепывают поверхность, создают в ней сжимающие напряжения.

Для этого существует несколько способов. Так, поверхности валов обжимают, обкатывают специальными твердыми роликами. Листовые рессоры автомобилей и пружины «обдувают» сильным потоком дроби. Ударяясь, дробинки вдавливают металл, оставляют на его поверхности вмятинки, создающие остаточные напряжения и повышающие усталостную прочность.

А вот уральский металлург Б.Г. Козин додумался заменить ролики или дробь водой. Он рассуждал примерно так. При сверхвысоких давлениях водяная струйка превращается в режущий инструмент, способный рассечь стальную плиту. Значит, плавно меняя давление, можно получить и такую струю, которая бы детали не разрезала, но была бы достаточно сильной, чтобы уплотнять. Расчет показывает: для деталей из углеродистых сталей вполне достаточно 4–6 тысяч атмосфер. Причем вода, в отличие от дробинок, не царапает поверхности, водяной струе легче забраться во внутренние полости, карманы, обработать отверстия, лазы, канавки и другие наиболее опасные с точки зрения усталостных напряжений места. Причем все необходимое оборудование – насос высокого давления да специальное сопло.

След маркера отчетливо виден даже в раскаленной печи.

Греющая паста

Чтобы кожаная обувь не промокала, ее смазывают кремом или жиром, чтобы деревянные телеграфные столбы не гнили, их пропитывают особым составом… Точно так же можно поступать и с металлом. Насыщая поверхностные слои чугунных и стальных деталей алюминием, мы повышаем их жаростойкость, бором – коррозионную стойкость и твердость, азотом – износоустойчивость. Но в отличие от кожи и дерева металл просто так не пропитаешь. Обычно чтобы обеспечить его химико-термическую обработку, нужны нагревательные печи, ванны с жидким расплавом, газовые камеры и другие агрегаты.

А вот доктор технических наук В.И. Просвирин и его коллеги из Рижского инженерного училища ГВФ нашли способ обойтись без сложного оборудования. Они предложили наносить на поверхность деталей так называемые энерговыделяющие пасты. При этом металл нагревается за счет тепла происходящих экзотермических реакций. В то же время вещества, выделяющиеся из пасты, насыщают поверхность металла активными легирующими элементами.

Сама же технология химико-термической обработки предельно проста. Детали, намазанные той или иной пастой, засыпают сухим песком (иногда их оставляют даже лежать на открытом воздухе) и поджигают. Металл сильно разогревается, причем температуру нагрева регулируют, подбирая нужное количество энерговыделяющего компонента, и легирующие элементы легко проникают в него. А через 2–3 минуты обработанные заготовки бросают в воду для охлаждения. На этом весь процесс и заканчивается.

Радиация вместо молота

Чугун, как известно, бывает двух видов – белый и серый, ковкий. Первый очень непрочен, деталь из него можно разбить молотком. А вот второму такие удары нипочем. Между тем, по своему химическому составу белый чугун не отличается от ковкого. Разница лишь в том, что углерод, химически соединенный с железом, в первом случае образует структуру в виде заостренных клиньев, во втором – в виде безобидных шариков-глобулей.

Чтобы превратить белый чугун в серый, его обычно несколько суток выдерживают в томильной печи. Но есть и другой способ, более быстрый – чугун облучают электронами и нейтронами. Такая бомбардировка тоже меняет свойства кристаллической решетки в желаемом направлении. Однако требуется дорогостоящее оборудование, да и сам чугун становится радиоактивным. А это уже совсем нежелательно.

Сотрудники Института металлургии имени А. Байкова В. Шалашов, И. Пронман, А. Жуков и другие предложили еще один способ, обладающий тем достоинством, что он позволяет использовать дешевые отходы атомной энергетики, не активирует детали и позволяет резко сократить продолжительность отжига.

Теперь детали из белого чугуна обрабатывают гамма-лучами, выделяющимися из радиоизотопов. При этом в кристаллической решетке происходят как бы микровзрывы, сопровождаемые мгновенными, длящимися стомиллиардные доли секунды, и высокотемпературными – до 10 000° – тепловыми всполохами. Они-то и заставляют графит принять безобидную глобулярную форму. Причем в некоторых экспериментах белый чугун удавалось превратить в ковкий всего за два часа. А поскольку изотопы используют быстрораспадающиеся, то радиация исчезает почти тотчас после облучения.

ИНФОРМАЦИЯ

ВСЛЕД ЗА ЯПОНИЕЙ «ВСТРЯХНЕТ» КАМЧАТКУ, уверен председатель научного совета по проблемам сейсмологии Российской академии наук Геннадий Соболев. По его словам, «вероятность сильного землетрясения на Камчатке в ближайшие 1–2 года составляет 85 %». Его предсказание основано на анализе и статистике предшествующих стихийных бедствий такого рода. «Как показывает практика, в течение трех лет после того, как происходит серия землетрясений в Японии, подобные серии повторяются и на Камчатке», – пояснил ученый. Причем данная серия землетрясений, «может быть связана с изменением скорости вращения Земли», допускает Соболев. По словам исследователя, «сейчас на планете наблюдается период повышенной сейсмической активности, который обычно продолжается около 6 лет, после чего в течение 20–30 лет число сильных землетрясений заметно сокращается».

ПРОВЕРКУ НА ПРОЧНОСТЬжелезобетонных конструкций позволяет легко и просто осуществить прибор, созданный москвичом В.Ф. Гордеевым. Как объяснил суть дела сам Василий Федорович, если стукнуть по бетонной или железобетонной конструкции молотком, в ее толще тут же образуется электромагнитная волна, форма и характер которой зависят от прочности и монолитности бетона. Всевозможные раковины, трещины, расслоения, инородные включения становятся источниками искажений, что и фиксирует прибор. Правда, при этом устройство сигнализирует лишь о наличии дефектов, не указывая их точного местоположения. Но для предварительной диагностики достаточно и этого. Ведь устройство определяет также механическую прочность бетона.

АНАЛИЗАТОР СОДЕРЖАНИЯ РТУТИ «ЮПИЯ-5К» начала выпускать московская фирма «АКВИЛОН». Он позволяет точно определить микродозы крайне ядовитого металла в пищевых продуктах, питьевой воде, парфюмерных и косметических товарах, лекарственных препаратах и даже детских игрушках. Принцип действия анализатора основан на методе атомной абсорбции «холодного пара». Конструктивно анализатор выполнен как портативный переносной аппарат, имеющий встроенный интерфейс для связи с компьютером. Результаты измерений выводятся на принтер. Прибор чрезвычайно прост в эксплуатации, и это предполагает широкие возможности его использования экологами и другими специалистами.

ЧЕЛОВЕК-КАЛЕНДАРЬ– так называют друзья и знакомые жителя Йошкар-Олы Владимира Куликова. За считаные секунды, проведя в уме сотни операций, он ответит, сколько секунд прошло со времени смерти императора Нерона до падения Константинополя. Или каким днем недели будет 13 октября 28448728 года. И все это с учетом високосных лет, смены календаря в 1582 году и тому подобных трудностей. Уникальные способности устного календарного исчисления, которые проявил инженер из Йошкар-Олы, подтверждены протоколом проверки, проведенной в Опытно-конструкторском бюро приборов контроля и автоматики марийской столицы.

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Команда аэлит может вскоре появиться на поверхности Красной планеты

Пока к экспедиции на Марс готовятся чисто теоретически. Но уже на этом этапе возникает немало проблем, в том числе и весьма неожиданных. Так, скажем, некоторые специалисты предлагают отдать предпочтение чисто женскому экипажу. И вот почему.

«Женщины потребляют на треть меньше кислорода, воды и еды, чем мужчины, – подсчитал доктор Паскаль Ли, занимающийся в НАСА проблемами медицинского обеспечения полетов. – А это в длительной экспедиции даст существенную экономию».

По мнению ряда специалистов, экипаж, состоящий исключительно из женщин, гораздо лучше приспособлен для длительных космических миссий. Если при работе на орбите преимущество зачастую отдается мужчинам, то для полета на Красную планету больше подходят представительницы прекрасного пола в возрасте до 30 лет, полагают они. «Сердце мужчины попросту не вынесет полета на Марс, – поясняет суть дела Паскаль Ли. – А вот физическое состояние молодых женщин благодаря особому гормональному профилю делает их сердечно-сосудистую систему более устойчивой к длительным перегрузкам»…

Конечно, и мужчины могли бы стимулировать работу сердца при помощи медицинских препаратов, но лекарства в условиях невесомости усваиваются крайне медленно.

Еще одной проблемой является повышенное содержание в организме мужчины железа. В условиях длительного космического полета его концентрация может достичь токсичного, опасного для здоровья уровня.

Кроме того, астронавтов ждут проблемы, не только связанные с их физическим состоянием. Самая большая опасность – психологические трения, особенно распространенные в небольших мужских коллективах. Длительное заточение в чисто мужском обществе может привести к стрессу, связанному с конкуренцией и агрессией.

Тем не менее, даже среди тех специалистов, которые ратуют за отправление в полет женского экипажа, нет единодушия. Если одни полагают, что лететь нужно молодым женщинам, то другие с ними не согласны. И ссылаются на опыт участия астронавток в долгосрочных миссиях на борту российской орбитальной станции «Мир».

Далеко не каждый американский астронавт-мужчина продемонстрировал достаточную уживчивость в ходе длительного общения с российскими коллегами на орбите. А вот для Шеннон Люсид экспедиция на борту «Мира» в 1996 году прошла весьма гладко.

Так что, по мнению ряда экспертов, марсианскую экспедицию необходимо укомплектовать женщинами в возрасте 45–55 лет. К сильным сторонам слабого пола в таких годах специалисты относят рассудительность и гораздо меньшую агрессивность по сравнению с мужчинами.

Проверить свои предположения специалисты намерены в ходе специального эксперимента, который проводит Европейское космическое агентство, а также специализированные центры Франции, США и Канады.

«Это продолжение исследований, которые мы уже провели с группой мужчин в 2001 и 2002 годах, – сказал доктор Арно Бек из МЕДЕСа – французского института космической физиологии при клинике Рангёй в Тулузе. – Теперь наша цель узнать, как продолжительный космический полет воздействует на женский организм».

По окончании эксперимента исследователи намерены сравнить результаты, показанные мужчинами и женщинами. И тогда уже делать выводы.

С. НИКОЛАЕВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
На что нам нужна Луна?

13 декабря 1972 года в 23.30 по хьюстоновскому времени командир «Аполлона-17» Юджин Сернанбросил прощальный взгляд на Море Ясности, забрался в лунный модуль и задраил за собой люк. С тех пор нога человека ни разу не ступала на лунную поверхность.

Собираются ли люди вернуться на Луну снова? Когда это может произойти? Что делать исследователям на естественном спутнике нашей планеты? Для чего вообще нам нужна Луна? Попробуем разобраться.

Астронавты на Луне. Неужто эта картина больше никогда не повторится?

Вселенский «колокол»

Начать стоит, наверное, с того, что ученые до сих пор пользуются плодами посещения Луны астронавтами. Экипажи «Аполлонов» среди прочего оставили там уголковые отражатели лазерного излучения и сейсмографы, измеряющие сотрясения лунной почвы.

Все эти приборы сослужили неплохую службу ученым. Так, например, сотрудники НАСА, измеряя с помощью лазеров гравитационные взаимодействия Луны и других небесных тел, обнаружили, что поверхность спутника нашей планеты расширяется и сжимается примерно на 10 см каждые 27 дней. В течение этого времени Луна испытывает «гравитационные» приливы и отливы под влиянием Земли и Солнца.

Эти периодические колебания нельзя было бы обнаружить, если бы с помощью лазерных лучей, идущих с Земли и отражаемых лунными ретрансляторами, расстояние между планетой и спутником не было бы замерено с точностью до 2 см. Расширения же и сжатия лунной поверхности помогли ученым получить значения так называемых чисел Лава, использующихся для оценки вязкости небесных тел (названы так в честь британского математика Августа Лава, который разработал теории волн и эластичности в конце XIX – начале XX века).

Ну, а по этим данным, как рассказал Джеймс Уильямс из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (Калифорния), удалось прояснить и внутреннее строение Луны. Сегодня исследователи полагают, что ядро спутника окружено расплавленной прослойкой.

Еще один интересный факт. Проанализировав данные американских сейсмографов, неожиданное открытие сделали наши исследователи из лаборатории происхождения и сравнительного изучения Земли и планет Института физики Земли, работавшие под руководством доктора физико-математических наук О.Б. Хаврошкина. Оказалось, например, что Луна является своего рода вселенским камертоном, который отзывается на множество происходящих во Вселенной процессов. Скажем, произошла на Солнце очередная буря, а вскоре и Луна закачалась на невидимых гравитационных волнах. Так что спутник, в принципе, может послужить сторожевым колоколом, отмечающим, что важного произошло во Вселенной.

Прав ли Галилей?

Более того, с помощью Луны исследователи собираются проверить, насколько правы были в своих умозаключениях Галилей, Ньютон и Эйнштейн.

Легенда гласит, что свое великое открытие Галилео Галилей сделал, сбрасывая с Пизанской башни разные предметы – пушечные ядра, мушкетные пули, изделия из золота, серебра и дерева. Казалось бы, чем тяжелее предмет, тем быстрее он упадет. Однако все они долетали до земли одновременно.

Сегодня этот постулат носит название принципа «эквивалентности гравитационной и инерционной массы». На нем основан закон всемирного тяготения и некоторые положения общей теории относительности Эйнштейна.

Но вдруг Галилей ошибся в своих опытах? Такой вопрос задал себе уже упоминавшийся нами Джеймс Уильямс. И вместе с коллегой Славой Турышевым он затеял «повторение» эксперимента Галилея, но в космических масштабах. Ученые будут наблюдать за «падением» Земли и Луны на Солнце. Наша планета и ее спутник имеют разные состав и массу. Если они «падают» на светило с одинаковым ускорением, значит, принцип эквивалентности справедлив. Если нет, нас ждет революция в физике.

Каким же образом ученые собираются это выяснить?

Как уже сказано выше, под действием гравитационного притяжения Земли и Солнца Луна периодически «припухает». Оказывают лунные и солнечные «приливы» воздействие и на изменение формы Земли. Заметить все эти изменения исследователи надеются, периодически измеряя с высокой точностью с помощью лазера расстояния между Землей и Луной. Если они покажут, что пульсации со временем не меняются, значит, Галилей был прав. Если же обнаружатся изменения, придется многое в физических теориях пересматривать.

Кладезь полезных ископаемых

Пока теоретики занимаются «высокими материями», выясняется, что Луна начинает интересовать даже коммерсантов. Многие частные предприниматели готовы взяться за организацию полетов на спутник Земли. Дело в том, что в образцах лунного грунта – реголита, доставленного на Землю экспедициями на кораблях «Аполлон», были обнаружены полезные ископаемые из платиновой группы: иридий, осмий, палладий, платина, родий и рутений. Все эти полезные ископаемые обладают уникальными химическими и физическими свойствами: электропроводностью, устойчивостью к коррозии и каталитическими способностями. На нашей же планете запасы этих редкоземельных элементов практически исчерпаны, их добыча стоит исключительно дорого.

Экспедиция за гелием-3

Кроме того. Луна является богатейшим источником гелия-3 – изотопа, который считается весьма перспективным «горючим» для термоядерных реакторов нового поколения. Сейчас исследователи ведут эксперименты с тем гелием-3, что найден на Земле. Но земные его запасы весьма невелики. Так что если изотоп понадобится в промышленных количествах, его придется завозить с Луны.

Для этого на естественный спутник нашей планеты отправятся космонавты для развертывания полномасштабного завода по производству и сжижению гелия-3, а также для организации бесперебойной поставки его на Землю.

Кстати, землянам понадобится не так уж много сжиженного гелия-3. Как показывают расчеты, одной тонны в год вполне достаточно для того, чтобы обеспечить энергией всю нашу планету. Так что возить гелий со спутника Земли оказывается вполне выгодно даже с учетом затрат на запуски лунных ракет, переработку гелия и его транспортировку, а также стоимости разработки и строительства реактора, который будет работать на лунном сырье. Уже разведанных запасов изотопа, между прочим, хватит нам минимум на 1000 лет.

Промышленную добычу реголита целесообразнее всего будет вести комбайнами. Они, наподобие экскаваторов будут снабжены ковшами, с помощью которых сыпучий грунт станут загружать в приемную камеру. Прямо на борту комбайна целесообразно разместить и камеры для сепарации, и оборудование для сжижения гелия-3. В качестве источника энергии для такого передвижного завода может послужить солнечная энергия. В течение же лунной ночи можно будет использовать бортовые аккумуляторы или иные источники энергии.

Накопленный и сжиженный с помощью космического холода гелий-3 будет доставляться взлетно-посадочным модулем на окололунную орбиту. Здесь модуль состыкуют с межорбитальным буксиром и отправят на Землю. Такой транспортный аппарат будет постоянно находиться на периодически возвратной орбите, подлетая то к Земле, то к ее спутнику. При подлете к нашей планете с помощью тормозной установки контейнер с гелием будет переведен на орбиту искусственного спутника Земли, а затем и спущен на ее поверхность.

А к тому времени, когда ресурсы лунного топлива истощатся, наша техника, будем надеяться, позволит добывать его на Юпитере. Гелия-3 в его атмосфере хватит на миллиард лет.

Покидая орбиту Земли…

На осуществление всех этих планов нужны, конечно, деньги, и немалые. Ведь та же программа «Аполлон» в свое время обошлась примерно в 100 млрд. долларов в пересчете на сегодняшние цены. Где их взять?

Оказывается, можно немало сэкономить, если подойти к проблеме с умом. Например, по словам ведущего научного сотрудника Курчатовского института, кандидата физико-математических наук Ю.Н. Смирнова, оборудование для освоения Луны вполне можно забросить на естественный спутник нашей планеты, так сказать, по дешевке. «Как известно, ныне по соглашению с американцами должны быть уничтожены ракеты СС-18, известные на Западе как «Сатана», – поясняет Юрий Николаевич. – Но жалко ведь уничтожать их без толку. Вот мы и предлагаем: давайте используем уничтожаемые ракеты для заброски необходимых грузов на Луну»… Расчеты показывают, что это технически вполне возможно.

Американцы решили подойти к проблеме по-другому. Они не видят больше смысла вкладывать деньги в развитие орбитальной станции МКС, прямо говорят, что катание космонавтов с астронавтами по орбите морально себя изжило. Кроме того, НАСА собирается окончательно законсервировать так и не оправдавшие себя экономически «челноки».

Все это обещает дать экономию в 87 млрд. долларов. Возрождение же программы «Аполлон», как полагают некоторые эксперты, обойдется всего в 25–30 млрд. долларов. Причем специалисты предлагают не останавливаться на освоении одной только Луны. Речь должна идти сразу о лунно-марсианской программе, которая сегодня оценивается в 400 млрд. долларов. Однако и здесь можно немало сэкономить, если, например, разработать технологию заправки марсианских кораблей топливом и водой, добываемыми непосредственно на Марсе. Тогда стоимость каждой марсианской экспедиции можно будет удешевить как минимум вдвое. А некоторые расчеты даже показывают, что со временем, когда технология заправки межпланетных кораблей будет четко отработана, полеты по маршруту Марс – Луна станут в 10 раз дешевле, чем предполагают сейчас.

В общем, получается, что к 2020 году, когда планируется повторная высадка на Луну, а затем начнется подготовка пилотируемой экспедиции на Марс, лишь жители США потратят только на картофельные чипсы большую сумму, чем потребуется для высадки людей на Марс.

Так неужели человечество поскупится на дальнейшее развитие космонавтики? Будем надеяться, что Луна еще послужит своеобразным трамплином для исследований глубин космоса, окраин Солнечной системы…

С. СЛАВИН

Лунная поверхность – сущий клад полезных ископаемых.