Наука | Научпоп

К середине XX века соперничество между США и СССР достигло космических масштабов. После успехов СССР с запуском «Спутника-1» (1957) и полётом Юрия Гагарина (1961) президент Джон Кеннеди в 1961 году поставил цель: до конца десятилетия доставить человека на Луну и вернуть его обратно. Это был не только технологический вызов, но и аспект холодной войны. Как заявил Кеннеди в 1962 году: «Мы выбираем полёт на Луну не потому, что это легко, а потому, что это трудно». Программа «Аполлон» стала ответом, мобилизовавшим 400 000 специалистов и 25 миллиардов долларов (около 150 миллиардов в современных ценах). И решающую роль в успехе программы «Аполлон» сыграл Нил Армстронг.

Про Нила Армстронга

Нил Олден Армстронг родился 5 августа 1930 года в Уапаконете, штат Огайо. Его интерес к авиации проявился рано: первый полет на самолете он совершил в 6 лет, а в 15 лет получил ученическое удостоверение пилота еще до получения водительских прав. В 1947 году он поступил в Университет Пердью на специальность авиационного инженера по программе подготовки офицеров ВМС США (Holloway Plan). Обучение было прервано Корейской войной, в ходе которой Армстронг служил пилотом истребителя-бомбардировщика Grumman F9F Panther на авианосце USS Essex. Он совершил 78 боевых вылетов, был сбит один раз, получил несколько наград, включая Воздушную медаль и Золотую звезду. После войны завершил образование в Пердью в 1955 году. Затем Армстронг стал гражданским летчиком-испытателем Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), предшественника NASA, на станции Эдвардс в Калифорнии. В этой роли он испытывал множество экспериментальных самолетов, включая знаменитый ракетоплан North American X-15, на котором совершил 7 полетов и достиг высоты 63 км и скорости M=5.74 (почти 6 400 км/ч). В 1962 году он был зачислен во второй набор астронавтов NASA. Его первым космическим полетом стала миссия «Джемини-8» в марте 1966 года, где он, будучи командиром, успешно существил первую в истории пилотируемую стыковку двух космических кораблей на орбите - с беспилотной ракетой-мишенью «Аджена». Во время этой миссии возникла серьезная нештатная ситуация из-за заклинившего двигателя ориентации, угрожавшая жизни экипажа. Армстронг вручную стабилизировал корабль и совершил аварийную посадку, проявив высокое мастерство. Этот опыт, наряду с его инженерными знаниями и обширным опытом пилотирования высокоскоростных и экспериментальных летательных аппаратов, сделал его одним из наиболее подготовленных кандидатов для назначения командиром первой попытки высадки на Луну в рамках миссии «Аполлон-11».

Полет и высадка на Луну

Ракета «Сатурн-V» стартовала с мыса Канаверал 16 июля. Через 76 часов корабль вышел на лунную орбиту. 20 июля лунный модуль «Орёл» с Армстронгом и Олдрином отделился от командного модуля «Колумбия», где остался Майкл Коллинз. При спуске возникла непредвиденная опасность: компьютер выдал аварийный сигнал «1202» из-за перегрузки, а автоматическая траектория вела «Орёл» в поле валунов. Армстронг вручную взял управление и, почти израсходовав топливо, посадил модуль в Море Спокойствия. В 20:17 по Гринвичу прозвучало: «Хьюстон, говорит База Спокойствия. "Орёл" сел».

21 июля в 02:56, примерно через 6 часов после посадки Армстронг спустился по лестнице модуля. Камеры, установленные на «Орле», транслировали чёрно-белое изображение на Землю, где за миссией наблюдали около 600 миллионов человек. Коснувшись левым ботинком лунного грунта, он произнёс: «Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества».

За 2 часа 31 минуту Армстронг и и его коллега Олдрин собрали 21,5 кг лунных пород, установили сейсмометр для регистрации «лунотрясений» и уголковый отражатель для точного измерения расстояния до Земли лазером. Они оставили на Луне американский флаг с проволочным каркасом и памятную медаль в честь погибших советских космонавтов Владимира Комарова и Юрия Гагарина, а также американских астронавтов, погибших при подготовке к лунной программе (Вирджила Гриссома, Эдварда Уайта, Роджера Чаффи). Этот символический жест подчеркивал общность человеческих потерь в освоении космоса. После старта с Луны «Орёл» состыковался с «Колумбией» и 24 июля экипаж вернулся на Землю. Астронавтов поместили в 21-дневный карантин из-за гипотетической угрозы лунных микроорганизмов.

Теории мистификации и их опровержение

Сомнения в реальности высадки на Луну возникли спустя несколько лет после завершения программы «Аполлон», особенно после выхода в 1976 году книги Билла Кейсинга «Мы никогда не были на Луне», и с тех пор периодически всплывают, несмотря на обширные доказательства обратного. Сторонники теории заговора выдвигают ряд аргументов, которые не выдерживают научной критики. Например, сторонников заговора смущают непараллельные тени на фотографиях, что легко объясняется перспективой и неровным лунным рельефом при единственном источнике света (Соллнце) . Другой частый вопрос - почему американский флаг «развевается» в безвоздушном пространстве Луны. Движение флага возникло в момент установки шеста, а в вакууме инерция сохраняет складки и колебания материала гораздо дольше, чем в атмосфере, при этом поздние снимки NASA подтвердили, что флаг «Аполлона-11» был сбит выхлопом взлетного модуля, а флаги с других миссий стоят неподвижно до сих пор. Отсутствие звезд на снимках также вызывают вопросы у сторонников заговора, но камеры были настроены на съемку ярко освещенных Солнцем объектов - астронавтов и лунного модуля, и для фиксации относительно тусклых звезд потребовались бы совершенно другие, длинные выдержки, при которых все остальное оказалось бы пересвеченным. Вопрос о преодолении опасных радиационных поясов Ван Аллена решился выбором траектории полета, минимизировавшей время нахождения в наиболее активных зонах, а также защитными свойствами корпуса корабля, при этом полученные астронавтами дозы радиации были тщательно измерены и оказались ниже, чем при прохождении компьютерной томографии. И наконец, вопрос, почему после «Аполлона» не последовало новых пилотируемых миссий к Луне, связан не с невозможностью полета, а с геополитикой и экономикой: дорогостоящая программа «Аполлон» (стоившая около 2% федерального бюджета США на пике) была, прежде всего, ответом на вызов СССР в космической гонке, и после ее успешного завершения и достижения политической цели финансирование было резко сокращено, а фокус сместился на программы орбитальных шаттлов и строительство Международной космической станции.

P.S Подписывайтесь, чтобы всегда быть в курсе интересных событий, произошедших в мировой истории за сегодняшний день. Ваша поддержка очень важна!

За этим стоит глубокая научная трансформация, о которой сегодня пойдёт речь.

Учёные отмечают, что по качеству напечатанные детали зачастую сравнимы с обычными, а в некоторых случаях и вовсе превосходят их благодаря оптимизированной структуре. При этом 3D-печать позволяет сократить затраты на оснастку, уменьшить объёмы отходов и ускорить выход новых изделий на рынок.

Эксперты прогнозируют рост объёма мирового рынка аддитивных технологий до ~83,6 млрд долларов к 2030 году. В России рынок за 1 год уже достиг 4,5 млрд рублей и, по прогнозам Минпромторга, вырастет до ~58 млрд к 2030 году.

Именно поэтому металлургические предприятия активно инвестируют средства в разработку 3D-принтеров и подготовку специалистов.

Что уже в ходу

За последние годы удалось достигнуть ряда важных достижений, которые уже применяются на практике. К примеру, металлурги начали внедрять гибридные технологии: после печати критической части детали тут же выполняется её механическая доводка, что ускоряет производство и снижает количество дефектов. Также появились расширенные фабрики 3D‑принтеров, где несколько установок выпускают партии сложных запчастей одновременно. Активно развиваются автоматизированные поточные линии, совмещающие печать и постобработку деталей за единый цикл.

Компании переходят к «виртуальному заводскому цеху», где изделия сначала проектируют и тестируют на компьютере и только затем отправляют в производство. Таким образом можно сэкономить на хранении комплектующих и при сбоях в поставках печатать необходимую деталь на месте.

Почему не каждый металл подходит

Не все металлические сплавы одинаково подходят для послойного наращивания. В трёхмерных принтерах широко используют специализированные нержавеющие стали (316L, H13), титановые сплавы (Ti-6Al-4V), никель-хромовые суперсплавы (Inconel, CoCr). Дело в том, что высокоуглеродистые и быстро остывающие материалы при печати обычно трескаются. Например, чистая медь сильно отражает лазерный луч и плохо сплавляется, поэтому, чтобы ей печатать, разрабатывают материалы с особыми легирующими элементами. По тем же причинам, например, к алюминию добавляют кремний, чтобы уменьшить усадочные напряжения.

Отдельно выделяют высокоэнтропийные сплавы — сложные многокомпонентные системы с 5-ю и более основными элементами. Они прочные и термостойкие, благодаря чему повсеместно применяются для 3D-печати.

В России для аддитивных технологий изготавливают металлическую проволоку. Так, на Чепецком механическом заводе (ГК «Росатом») освоили производство порошковой титановой проволоки для промышленной 3D-печати. Изделие применяется в технологиях наплавки, где сплав подаётся в виде проволоки и локально сплавляется. Кроме того, учёные НИТУ МИСИС разработали новый сплав: в нём кальций заменил дорогие редкоземельные элементы, что значительно снизило его стоимость и при этом сохранило высокие прочностные характеристики.

Как печатают металл

Селективное лазерное плавление (SLM) — один из самых распространённых методов: металлический порошок распределяется тонким слоем и по определенным траекториям сплавляется лазером. После наносится новый слой и процесс повторяется. Этот метод обеспечивает очень высокое разрешение печати (толщина слоя порядка 20–80 мкм) и позволяет работать практически со всеми промышленными металлами. Однако SLM обладает рядом ограничений: медленная скорость печати, детали часто требуют поддерживающих конструкций под нависающими участками, для каждого материала нужна своя рецептура сплава, а сам порошок со временем теряет свойства.

Ещё одно перспективное направление — методы прямого подвода энергии и материала (DED). К ним относятся лазерная наплавка порошком и проволокой: LENS (Laser Engineered Net Shaping) позволяет воссоздавать крупногабаритные изделия и ремонтировать детали. Электроннолучевая проволочная наплавка (EBAM) позволяет печатать объёмные конструкции с помощью металлической проволоки и электронных пучков. Такая наплавка отлично подходит для крупных стальных каркасов и корпусных частей, хотя слои получаются толще, чем при SLM.

Струйная печать связующим веществом (Binder Jet) работает иначе: на порошковую заготовку послойно впрыскивают жидкое связующее, прямо как в обычном принтере. Затем порошковую заготовку сплавляют или запекают. Метод особенно эффективен при изготовлении больших литейных опок.

Во многих системах печати уже применяют компьютерное моделирование для подбора оптимальных параметров мощности лазера, скорости сканирования и толщины слоя, что позволяет заранее спрогнозировать структуру материала.

В  развитие аддитивных технологий активно включаются крупнейшие российские предприятия. Например, ГК «Росатом Аддитивные технологии». Норникель напечатал крупную литьевую спиральную камеру насосного агрегата для своего комбината — раньше замена этой детали весом около полутонны требовала годового цикла изготовления. Благодаря 3D-сканированию и металлопечати эту операцию удалось выполнить за недели, минуя долгие этапы создания подробных чертежей.

Новолипецкий металлургический комбинат внедрил две промышленные установки 3D-печати песчаных форм: они печатают насосные корпуса, роторы, каркасы и даже десятитонные корпуса спекательных тележек. Изготовление форм удалось ускорить пятикратно, а качество отливок значительно улучшилось.

Кто стоит за инновациями

За развитием аддитивных технологий зачастую стоят университеты и НИИ. Например, в Передовой инженерной школе НИТУ МИСИС впервые в стране научились печатать вольфрам-медные композиты с гироидной структурой. Такой материал открывает возможность создания новых обращенных к плазме компонентов в термоядерной энергетике. В СПбПУ создан Инфраструктурный центр НТИ «Технет» по аддитивному производству, а также впервые в России разработано собственное программное обеспечение для управления металлопринтером. Уральский федеральный университет совместно с индийскими учёными освоил 3D-печать из жаропрочных титановых алюминидов. Новая технология позволяет получать детали, выдерживающие температуру до 700°C при меньшей массе по сравнению с никелевыми аналогами.

Всё не так просто

Главный недостаток аддитивных технологий заключается в том, что промышленные металлические 3D-принтеры стоят в десятки раз дороже обычных станков, а материалы быстро расходуются. Кроме того, невысокой остаётся скорость печати: например, SLM-машины за один час могут наплавить лишь несколько килограммов металла. Это ограничивает использование аддитивных методов в массовом производстве.

Также технологии SLM и EBM требуют сложных поддерживающих структур для деталей с нависающими элементами, они энергоёмкие и чувствительные к свойствам порошка. К тому же порошок со временем разрушается: его мелкие частицы слипаются, что ухудшает качество повторно использованных материалов. Другие методы, такие как Binder Jet, позволяют печатать с большей скоростью, но готовые изделия получаются пористыми и требуют дополнительного спекания.

Всё это — пока нерешённые задачи.

Контроль качества изделий аддитивного производства

Традиционная металлургия развивалась на протяжении многих столетий — от первых способов литья раскалённого металла до современных автоматизированных производств. За это время были разработаны строгие стандарты и требования, которые сегодня закреплены в нормативных документах.

В то же время всё большее значение приобретают аддитивные технологии, чьи изделия находят применение в высокотехнологичных и ответственных отраслях — таких, как аэрокосмическая промышленность, атомная энергетика, медицинское оборудование и другие. В этих областях особенно важен высокий уровень контроля качества.

Для анализа и оценки изделий, созданных с помощью 3D-печати, используются методы, ранее не применявшиеся в традиционной металлургии. Например, компьютерная томография, известная благодаря своему применению в медицине, теперь активно используется для изучения внутренней структуры аддитивных деталей. Это позволяет выявлять микроскопические дефекты и особенности без повреждения самого изделия.

Под изменяющиеся реалии создаются новые профессии. Так, первой в России образовательной программой, которая подготовит специалистов в области стандартизации и метрологии в "аддитивке", стала магистратура «Сертификация изделий аддитивных технологий» в НИТУ МИСИС.

Заводы будущего — уже рядом

Программное обеспечение для оптимизации топологии и прогнозирования свойств материалов, системы «умного завода» с дистанционным контролем, аддитивное прототипирование в сочетании с дополненной реальностью — всё это постепенно входит в практику и скоро станет рутинной частью металлургической отрасли.

Ожидается, что комбинация классической металлургии и аддитивного производства позволит резко повысить технологичность промышленных изделий, снизить их вес и экологический след, а сами металлурги смогут конструировать изделия практически любой формы.

Оказалось, что доисторические охотники приносили ценную дичь за десятки километров для особо торжественных сборищ.

Только что в престижном журнале Nature было опубликовано исследование, которое вносит коррективы в наше представление о жизни первобытных сообществ, ещё не знавших производящего хозяйства. В местонахождении Асиаб в гористых областях западного Ирана археологи обнаружили следы большого пиршества, произошедшего целых 11 тысяч лет назад. В одной из ям учёные раскопали 19 аккуратно сложенных кабаньих черепов — все со следами разделки. Видимо, здесь шиканула одна или даже сразу несколько древних общин.

Казалось бы, погуляли и что с того? Но необычным это открытие делает даже не датировка, а то, какое расстояние преодолели участники! Изотопный анализ зубной эмали добытых диких кабанов показал, что как минимум несколько из них были принесены сюда аж за 70 км или даже дальше. «Это было чем-то вроде того, как мы приносим тщательно отобранную бутылку хорошего вина на вечеринку. Как и изысканный напиток, эти кабаны, вероятно, служили для демонстрации уважения и укрепления социальных связей через обмен дарами» — рассказывает ведущий исследователь, доктор Петра Ваиглова.

Ещё одна интересная деталь, которая делает необычным этот верхнепалеолитический памятник: обычно традиция пиров ассоциируется уже с сельскохозяйственными обществами, которые обладали возможностью производить излишки продовольствия. То есть ту часть еды, которая уже была не нужна непосредственно для выживания, и её можно было использовать для общих празднеств. И тут вдруг раскопки в Асиабе показывают, что уже и досельскохозяйственные сообщества охотников-собирателей были способны организовывать подобные сборища. Да ещё и с гостями, пришедшими издалека.

Напомним, что в течение жизни животные или люди накапливают в зубной эмали определённые изотопы, полученные вместе с пищей. Проанализировав изотопный состав можно определить, где тот или иной организм провёл часть своей жизни. И несчастные свинки, найденные в Асиабе, совершенно точно происходили из других областей. Данные находки говорят в пользу того, что эти пиры, сопровождаемые ритуалами дарения, играли ключевую роль в формировании культурных связей между общинами, которые уже совсем скоро вступят в эпоху неолита.

Поэтому, будьте, как наши славные предки: никогда не приходите в гости с пустыми руками!