Астроинженерные конструкции и сверхпрочные материалы

В НФ часто декларируется создание в будущем суперпрочных материалов, выдерживающих многократно более высокие нагрузки, чем нынешние. Забавно, но это не вызывает ни у кого отторжения, хотя по факту существование таких материалов не более вероятно, чем существование, скажем, варп-двигателя. Просто физика прочности для подавляющего большинства гораздо менее известна, чем всякие там теории относительности.

При чём здесь астроинженерные сооружения? При том, что нагрузки, которые испытывает их конструкция, запредельны. Практически во всех случаях в них создаётся искусственная гравитация, обычно с помощью вращения, что вызывает соответствующие силы. А поскольку размер и масса огромны - ну, думаю, дальше можно не продолжать.

В современных изотропных материалах наблюдается лишь около десятой части теоретически возможной прочности. Причина - в эстафетном механизме дислокации при воздействии силы, когда в структуре материала возникают накапливающиеся микроразрывы. Они ослабляют сечение, это тянет за собой новые разрывы, и в конечном итоге приводит к разрушению. Это в идеальном кристалле, а в реальном движение дислокаций затрудняется неоднородностями структуры - отсюда повышенная прочность стали по сравнению с железом и легированных сталей по сравнению с обычной. Углерод и легирующие компоненты встраиваются в однородную структуру железа и мешают возникновению эстафетной дислокации.

Один из вариантов решения этой проблемы - конечно же, композитные материалы. В общем случае они состоят из несущих основную нагрузку нитей и гораздо менее прочного связующего вещества, или матрицы. Каждая нить не связана с другими напрямую, и, кроме того, в таком виде исчезает проблема хрупкости. Например, обычное оконное стекло прочнее стали - но только при сжатии. При растяжении и, как следствие, при изгибе, его прочность намного меньше. Преобразование же его в стекловолокно резко меняет картину.

В любом случае, однако, физико-химические методы увеличения прочности сейчас упираются в потолок, и дальше пытаются развивать чисто физические - например, углеродные нанотрубки, или те же самые нитевидные кристаллы, из которых плетутся нити, т. е. неоднородности на наноуровне. Такие материалы будут значительно прочнее, чем, скажем, "обычный" углепластик с прочностью на растяжение до 2500 МПа - но даже не на порядок. Для создания кольца вокруг Солнца этого недостаточно.

Мало того, в сопромате есть такое понятие, как потеря устойчивости. Она возникает при сжатии из-за того, что сжимающая сила никогда не направлена точно через центр масс - жёсткости материала становится недостаточно, чтобы сопротивляться изгибающему моменту, и стержень разрушается, хотя предел прочности ещё далеко не достигнут. То есть кроме прочности, нужно разгонять ещё и жёсткость, а это тоже нетривиальная задача. Большинство конструкций того же Мира-Кольца испытывают в основном растягивающие нагрузки, но возникновение сжимающих - например, из-за "гуляния" конструкции - может привести к катастрофе.

Давайте теперь спустимся чуть ниже и рассмотрим обычную станцию-"бублик", она же Стэнфордский тор. Вот такой (ну, не делать же пост совсем без картинок, вы что, в библиотеку пришли?)

Будет ли зависеть гравитационная (ладно, пусть будет псевдогравитационная) нагрузка на основные конструкции "бублика" от его радиуса? Ответ... *барабанная дробь* НЕТ. Потому что каким бы радиус ни был, тор всё равно вращается так, чтобы на ободе у него возникало ускорение в 1g - жалкие куски мяса, которая там обитают, не хотят чего-то другого. А следовательно, нагрузка будет зависеть только от размера и массы самих этих конструкций. Чем больше вторичный радиус тора, тем сложнее будет его проектировать - но ведь никто не мешает сделать обычную поэтажную конструкцию. Человечество сейчас огромные небоскрёбы строит, так что с этим проблем быть не должно.

А вот что будет зависеть, так это возможные колебания и изгибы окружности тора из-за неустойчивости, так что их, скорее всего, придётся компенсировать с помощью двигателей. Но это уже совсем другая история.