Стефания Кволек, ракеты, кевлар, Качуровский

Подобные конструкции пока мало востребованы государственными структурами, потому как требуют мало металла и денег. Строительные монополии и чиновники получают свою долю от стоимости объекта. Допущенные к строительству совершенно не склонны удешевлять конструкции. Инвесторы поставлены в такие условия когда строить меньше и дороже выгодно всем кроме конечных потребителей. Не малый откат получают все звенья цепочки кроме последнего.

Твердотопливные ракеты за 30 лет продемонстрировали высокую надежность и хорошие характеристики. При значительном улучшении топлив, эффективности методов производства, новых материалов, а также при повышенной надежности и более низкой цене за счет использования методов тотального управления качеством (Total Quality Management) орбитальным твердотопливным ракетным двигателям можно гарантировать успех до тех пор, пока будет продолжаться освоение космоса.
1964 Стефания Кволек создала высокопрочный, легкий пластик кевлар. Кевларовые волокна — непременный компонент современных композитов, из которых делают огромное количество вещей — от шин до бронежилетов.
Aramids


Арамиды - это семейство нaйлонов, включающее Номекс® и Кевлар®. Кевлар® используется для создания таких вещей, как пуленепробиваемые жилеты и непрокалываемые велосипедные шины. Я полагаю, можно даже сделать пуленепробиваемые велошины из Кевлара®, конечно, если они кому-нибудь понадобятся.

Смеси Номекса® и Кевлара® используются для создания огнеупорной одежды. Номекс® спасает водителей гигантских грузовиков и тракторов от смертельных ожогов, случись их огнедышащим колесницам выдохнуть слишком много огня. Благодаря Номексу®, важная часть Американской культуры, в отличие от искусства, не требует жертв. (Полимеры играют еще одну важную роль в соревнованиях гигантских грузовиков - в виде эластомеров, из которых делаются эти гигантские шины.) Смеси из Номекса® и Кевлара® также защищают пожарных.

Кевлар® является полиамидом, в котором все амидные группы разделены пара-фениленовыми группами, то есть амидные группы присоединяются к фенильным кольцам друг напротив друга, к атомам углерода номер 1 и номер 4. Кевлар показан на большом рисунке в начале страницы


Номекс®, с другой стороны, содержит мета-фениленовые группы, то есть амидные группы присоединены к фенильному кольцу.

Кевлар® является очень кристаллическим полимером. Прошло немало времени, прежде чем придумали, как сделать из Кевлара® что-нибудь полезное, поскольку он ни в чем не растворялся. Таким образом, его обработка в форме раствора была исключена. Он не плавится при температурах ниже 500 oC - (жарковато для тостера!), так что обработка плавлением была также исключена. Тогда исследовательнице по имени Стефания Кволек (Stephanie Kwolek) пришла в голову гениальная идея.

Арамиды используются в виде волокон. Они образуют даже лучшие волокна, чем неароматические полиамиды, например, нaйлон.
В большинстве сегодняшних двигателей для орбитального перехода используются корпуса, изготовленные либо из титановых сплавов, либо из композитных материалов с намотанными волокнами, такие, как кевлар-эпоксид или s-стекло-эпоксид. Уже изготовлены гораздо более легкие и надежные корпуса двигателей из материалов с намотанными волокнами — графит-эпоксид с прочностью волокон (Т-1000 и Т-1000 GB) более чем 56 кг/см2. Композиты с такими хорошими характеристиками обладают значительными преимуществами перед оболочками из титановых сплавов просто потому, что из процесса исключается достаточно продолжительное время для производства штамповок. Кроме того, для производства металлических корпусов требуется более продолжительный цикл, включающий сложную механическую обработку штамповок до тонкостенных составляющих, сварку, тепловую обработку и точную механическую сборку.
Новые европейские нормы учитывают так называемый progressive collapse prevention — нужно быть уверенным, что, например, разрушение части несущей конструкции не приведет к обрушению всего здания. У нас это называется живучестью конструкции, хотя в белорусских нормах еще не прописано. В этом плане структурные конструкции наименее уязвимы благодаря замечательному свойству перераспределять нагрузку при выходе из строя некоторых стержней.

В лучших конструкциях однослойных куполов последних лет удельный расход стали около 24 кг/м2 (например, в конструкциях ботанического сада “Эдем”). В двухслойной структуре из того же металла и под такую же нагрузку расход может быть несколько больше, но зато и надежность значительно выше.

Эстетика сооружения. В интерьере легкая ажурная структура смотрится интереснее, чем массивные двутавровые балки. Прочная и надежная конструкция должна быть красивой. Для конструкции купола удачно применен авиационный принцип — хорошо и надежно летать может только красивый самолет. В справедливости этого афоризма один из авторов (А. Качуровский), будучи пилотом брестского аэроклуба и летая на заводских и самодельных аппаратах, неоднократно убеждался.

Эффективность представленной концепции большепролетного купола заключается в меньшей металлоемкости по сравнению с другими принципиальными схемами купольных сооружений, простоте изготовления и малой трудоемкости сборки.
Лирическое отступление

Авиастроительная, судостроительная и просто строительная индустрии живут, совершенно не пересекаясь, а между тем у всех при разработке конструкций самые главные вопросы — прочность и надежность. Инновационные технологии и материалы авиа- и судостроителей не проникают в область строительных конструкций, хотя там есть чему поучиться.
А ведь такие материалы, как высокопрочные (1915Т) и особопрочные (В96ц-3п) алюминиевые сплавы, углепластики, полиарамидные волокна (кевлар), сегодня вполне доступны. Россия, например, производит кевлар даже с более высокими прочностными характеристиками, чем фирма Dupont. Расчетное сопротивление растяжению кевлара в зависимости от марки 1500…5000 МПа, для сравнения, у Ст. 20 — 380 МПа. У углеродных нитей прочность ниже, но модуль упругости значительно выше. Однако применить новые материалы и технологии конструктор может только на свой страх и риск, так как нормативных документов на этот счет у нас нет.