3. Применение бериллия

Сочетание таких технически важных свойств, как малая плотность, высокие удельная прочность и жесткость, сохраняю­щиеся до температур 500 600 С, высокие теплоемкость и тепло­проводность, обусловило преимущественное применение берил­лия и его сплавов в авиационной и ракетно-космической технике.

При использовании бериллия в конструкциях необходимо учитывать его хрупкость и чувствительность к надрезу в условиях растягивающих напряжений. Бериллий целесообразно применять в конструкциях, в основном работающих на сжатие, когда компо­ненты растягивающих усилий и моментов изгиба отсутствуют или малы по величине. Масса таких деталей в реальных конструкци­ях ракет и самолетов составляет от 30 до 80 %. У конструкций, работающих в условиях осевого сжатия, сопротивление потери устойчивости пропорционально корню квадратному из модуля упругости. В первом приближении выигрыш в массе Ат при за­мене используемого металла бериллием составляет:

где у_ме1, у_Ве - плотность заменяемого металла и бериллия, Е_я„, £_Ве - их модули упругости.

Оценка по этой формуле, сделанная И. И. Папировым, пока­зывает, что бериллий обеспечивает трехкратный выигрыш в массе по сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами, четы­рехкратный - по сравнению с титаном и пятикратный - по срав­нению со сталью. С увеличением температуры эффективность применения бериллия возрастает.

В настоящее время многие детали самолетов изготавливают из бериллия и его сплавов (рис. 22.8). Расчеты показали, что само­лет, построенный на ⁴Д из бериллия и его сплавов, был бы напо­ловину легче самолета из алюминия. Это позволило бы увеличить грузоподъемность и дальность полета на 40 %. Сравнение затрат на материалы с достигаемым эффектом показало экономическое превосходство такого самолета с преимущественным использова­нием бериллия как конструкционного материала.

Теплоемкость бериллия в 2 раза выше, чем у алюминия, почти в 3 раза - чем у железа и в 3,5 раза - чем у титана. В то же время теплопроводность бериллия примерно такая же, как у алюминия.

Рис. 22 8. Детали самолета, изготовленные из бериллия и его сплавов (указаны стрелками)

Благодаря этим свойствам, а также высокой жаропрочности его используют в теплозащитных конструкциях ракет и космических кораблей. Из сплава бериллия с алюминием была изготовлена обшивка управляемых снарядов.

Бериллий и материалы на его основе применяют при изготов­лении ракетных двигателей, в том числе камер сгорания и сопел. Благодаря очень высокой теплоемкости и теплопроводности сопло выдерживает рабочие температуры до 3000 °С. Масса двигателя снижается при двукратном увеличении тяги.

Из бериллия делают системы антенн космических кораблей и спутников, рули космических аппаратов, теплозащитную обшив­ку космических аппаратов, возвращаемых на Землю, особенно с экипажем на борту. Из бериллия делают зеркала оптических те­лескопов, устанавливаемых на космических кораблях. Масса бе- риллиевого зеркала в 5 раз меньше, чем у обычных зеркал, ис­пользуемых в земных условиях. Из бериллия был изготовлен оп­тический телескоп американского космического корабля "Апол­лон". Применение бериллия позволяет уменьшить массу искусст­венных спутников Земли на 35-40 % .

Тормозные диски самолетов, помимо прочности и износостой­кости, должны обладать хорошими тепловыми характеристика­ми, так как при торможении возникает высокая температура. Благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности бериллие­вые тормоза нагреваются до 240 °С, в то время как стальные - до 670 °С. Поэтому на высоких скоростях бериллиевые тормоза име­ют лучшие характеристики, чем стальные. Тормозная система из бериллия дала экономию в массе американского транспортного самолета С-5А на 725,7 кг. Бериллиевые тормоза широко исполь­зуются ВВС США, их начинают применять и в гражданской авиа­ции, и в автомобилестроении.

Потенциальной областью применения бериллия являются обо­лочки глубоководных торпед, сбрасываемых самолетами. Торпе­ды из бериллия могут достигать больших глубин при таком же внутреннем объеме, что и торпеды из других материалов.

Благодаря низкому поперечному сечению захвата нейтронов и высокому поперечному сечению их рассеяния, бериллий находит применение в атомной технике для изготовления отражателей, за­медлителей и оболочек ТВЭЛов. Из имеющихся в природе элементов только четыре: водород (дейтерий), углерод, кислород и единствен­ный из металлов — бериллий — обладают благоприятным сочетанием ядерных характеристик. Поэтому обычная и тяжелая вода, графит и бериллий используются в качестве замедлителей и отражателей.

Кроме специфических ядерных характеристик, материалы за­медлителей, отражателей и оболочек ТВЭЛов должны обладать

высокой теплопроводностью, жаропрочностью, коррозионной стой­костью, сопротивлением ползучести. Бериллий лучше других ма­териалов, в том числе графита, удовлетворяет этим требованиям.

Благодаря низкой поглощающей способности бериллий при­меняют для изготовления окон рентгеновских трубок.

Для ориентации и стабилизации ракет и космических кораб­лей используют гироскопы - приборы, помогающие кораблю дви­гаться в заданном направлении. В электростатических гироско­пах из бериллия изготовляют наиболее ответственную деталь - так называемый инерциальный элемент. Он представляет собой сферу из бериллия, заключенную в оболочку из керамики, внутри которой создаются вакуум и электрическое поле. В этом поле под­вешивается бериллиевая сфера-ротор. Зазор между вращающимся с высокой скоростью ротором и электродами составляет несколько сотых долей миллиметра. Ротор должен иметь идеально отполи­рованную поверхность. Изготовленный из бериллия миниатюр­ный ротор сохраняет стабильность размеров в условиях высоких скоростей и перегрузок.

Использование бериллия в основных конструкциях гироско­пов позволяет существенно уменьшить их массу и объем. Помимо ракетно-космических объектов, гироскопы с бериллием использо­вались в инерциальной навигационной системе подводных лодок, вооруженных ракетами "Поларис", а также военной авиации и самолетах-метеоразведчиках.

Высокая стоимость и токсичность бериллия пока еще сдержи­вает его широкое применение. Однако его уникальные свойства несомненно будут способствовать увеличению спроса на этот ме­талл. Рост потребления приведет к технологическим усовершен­ствованиям, которые будут способствовать уменьшению издержек производства и снижению цены на бериллий. Бериллий является перспективным материалом ближайшего будущего.