Применение кварцевых изделий в космосе и авиации
Содержание
- 1. Применение кварцевых изделий в космосе и авиации: короткий ответ
- 2. Иллюминаторы из кварцевого стекла: что стоит на МКС и на пилотируемых кораблях
- 3. Навигационные датчики: резонаторы ВТГ и кварцевые маятниковые акселерометры
- 3.1. Резонатор волнового твердотельного гироскопа из кварцевого стекла
- 3.2. Кварцевый маятниковый акселерометр
- 4. Спутниковая навигация: газовые ячейки стандартов частоты и уголковые отражатели
- 5. Радиопрозрачный обтекатель из кварцевой керамики и теплозащита из кварцевого волокна
- 6. Наземные испытания: кварцевые колбы ламп нагрева и оптические окна стендов
- 7. Свойства кварцевого стекла для космоса и авиации: физика, радиационная стойкость, деградация
- 7.1. Физические параметры по ГОСТ 15130-86
- 7.2. Радиационная стойкость кварцевого стекла: таблица 21 ГОСТ 15130-86
- 7.3. Ограничения и деградация: микрометеороиды, загрязнение, хрупкость, кристаллизация
- 8. Кварцевое стекло, кварцевая керамика, кварцевое волокно и α-кварц: что где работает
- 9. Марки по ГОСТ 15130-86 и выбор под аэрокосмическую задачу
- 10. Размеры, допуски и документы в заказе
- 11. Сводная таблица: какое кварцевое изделие под какой узел
- 12. Частые вопросы
- 12.1. Из какого стекла сделаны иллюминаторы МКС?
- 12.2. Какая марка кварцевого стекла устойчивее к космической радиации?
- 12.3. Почему обтекатели ракет делают из кварцевой керамики?
- 12.4. Из чего делают резонатор волнового твердотельного гироскопа?
- 12.5. Кварцевый генератор и кварцевый акселерометр сделаны из одного кварца?
- 12.6. Защитные стёкла солнечных батарей тоже кварцевые?
- 12.7. Какие кварцевые изделия нужны для наземных испытаний авиационной и космической техники?
Применение кварцевых изделий в космосе и авиации опирается на три формы SiO₂ с разными температурными пределами: прозрачное кварцевое стекло, пористую кварцевую керамику и кварцевое волокно. Разбор адресован конструкторам, технологам стендов и снабженцам НИИ.
Применение кварцевых изделий в космосе и авиации: короткий ответ
Основное применение кварцевых изделий в космосе и авиации приходится на шесть узлов техники, и материал в каждом свой. Иллюминаторы Российского сегмента МКС собраны из двухстекольных пакетов кварцевого стекла КВ с покрытиями на 400-2500 нм. Резонаторы волновых твердотельных гироскопов вырезают из кварцевого стекла (по выводу МГУ, при температуре ниже 0 °C лучшая добротность у КУ-1), чувствительный элемент кварцевого акселерометра в одной из диссертаций выполнен из КУ-1, а резонатору авиационной точности нужна добротность (1-2)·10⁷.
Бортовой рубидиевый стандарт частоты навигационных спутников построен на газовой ячейке с парами рубидия. Кварцевая керамика входит в число основных материалов головных антенных обтекателей высокоскоростных аппаратов. Для теплозащитных плиток «Бурана» потребовалось особо чистое кварцевое волокно диаметром 1,5-2 мкм, которого в стране не было. На испытательных стендах кварцевое стекло работает в колбах ламп радиационного нагрева и окнах модельных камер сгорания ГТД.
Марку кварцевого стекла в аэрокосмической промышленности подбирают под рабочий спектр и дозу облучения. ГОСТ 15130-86 в таблице 21 нормирует радиационно-оптическую устойчивость КУ-1 и КУВИ при гамма-дозах 10⁶ и 10⁸ Р, а для КВ требование при 10⁴-10⁵ Р вводят по согласованию с изготовителем.
К кварцевому стеклу не относятся стекло К-208 для защитных покрытий солнечных батарей и кварцевые генераторы на кристаллическом α-кварце, а для остекления кабин самолётов кварцевое стекло в проверенных публикациях не описано. Всех потребителей охватывает обзор семи отраслей применения кварцевого стекла.
Иллюминаторы из кварцевого стекла: что стоит на МКС и на пилотируемых кораблях
На Российском сегменте МКС (РС МКС) 17 иллюминаторов: 13 из них в служебном модуле, по 2 в модуле МИМ2 и в стыковочном отсеке. Все они двухстекольные, камерного типа, а межстекольная камера заполнена сухим азотом под давлением 1 кг/см². Остекление выполнено из кварцевого стекла КВ с прозрачными покрытиями на 400-2500 нм (Белоногов Г.В. и др., «Космическая техника и технологии», 2017, № 2).
| Световой диаметр, мм | Внешний диаметр, мм | Количество на РС МКС |
|---|---|---|
| 426 | 490 | 1 |
| 228 | 228 | 15 |
| 80 | 80 | 1 |
Во времена «Востока» стекло иллюминаторов выбирали из двух марок, одной из них была КВ. Позже испытали и другие стёкла, среди них оптическое стекло К108 (отраслевой обзор об иллюминаторах, 2021). Размер стёкол 80-490 мм, на орбите появилось и 800-мм стекло.
В иллюминаторах «Союзов» и «Востоков» по три стекла, хотя на «Союзе» есть и один двухстекольный. Перед стартом межстекольную камеру заправляют сухим азотом высокой чистоты либо сухим воздухом, а давление в ней держат вдвое меньшим, чем в гермоотсеке.
Обойму для стёкол делают из алюминиевого или титанового сплава. На орбите перепад температур на поверхности аппарата «может составлять пару сотен градусов», а коэффициенты расширения стекла и металла разные, поэтому между ними ставят уплотнения. По спецификации ESA шесть боковых и одно верхнее окно модуля Cupola сделаны из кварцевого и боросиликатного стекла, оснащены ставнями и заменяемы на орбите.

Иллюминатор Российского сегмента МКС: два стекла КВ в металлической обойме, между ними сухой азот под давлением 1 кг/см². Между стеклом и обоймой стоят уплотнения.
Навигационные датчики: резонаторы ВТГ и кварцевые маятниковые акселерометры
Кварцевое стекло в авиации и ракетно-космической технике работает внутри бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС): из него делают полусферический резонатор ВТГ и маятник акселерометра.

Резонатор ВТГ и чувствительный элемент маятникового акселерометра делают из кварцевого стекла: по выводу МГУ, для резонатора лучшая марка КУ-1, а в диссертации Харламова элемент акселерометра выполнен из КУ-1. Рамка, лопасть и перемычки акселерометра выполнены из единой пластины.
Резонатор волнового твердотельного гироскопа из кварцевого стекла
Самая технологически сложная и дорогая деталь ВТГ, по оценке Б.С. Лунина, это его чувствительный элемент: полусферический высокодобротный резонатор из кварцевого стекла (автореферат докторской диссертации, МГУ, 2006). Резонатор авиационной точности должен иметь добротность Q = (1-2)·10⁷, расщепление собственных частот не более ~5·10⁻³ Гц и разнодобротность ~5 %.
Предложенная Луниным методика термообработки впервые дала полусферическому резонатору диаметром 30 мм рекордную добротность (8,2±0,2)·10⁷ (измерение при 135 °C). Внутренние напряжения опускают добротность до (1-2)·10⁶, то есть на порядок ниже требуемой для авиационного прибора. После механической обработки остаётся нарушенный поверхностный слой толщиной 8-10 мкм, его удаляют химически.
Почему для резонатора берут марку с большим содержанием OH-групп, а не самую «сухую»? По той же работе, наилучшие характеристики по добротности при температуре ниже 0 °C у КУ-1: из-за большой концентрации OH-групп у неё ниже температура размягчения и структурная температура.
Резонаторы из слоистого стекла, например типа КУ-1, всегда вырезают так, чтобы ось симметрии резонатора совпадала с осью наплава: только в этом случае получают высокую добротность. Правило попутно приведено в статье о миниатюрных ВТГ с металлическим резонатором для БИНС малых космических аппаратов (Басараб М.А., Лунин Б.С. и др., Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение», 2014, № 4).
Кварцевый маятниковый акселерометр
В кандидатской диссертации М.С. Харламова чувствительный элемент выполнен «из плавленого кварца марки КУ-1». Элемент состоит из неподвижной рамки и подвижной лопасти, служащей инерционной массой. Лопасть связана с рамкой упругими перемычками с токоподводами, а её отклонение вдоль измерительной оси регистрируют по дифференциальной ёмкости.
Патент RU 2758892 описывает маятник, опорную рамку и упругие перемычки из единой пластины кварцевого стекла; по тексту патента, плавленый кварц в сочетании с формой перемычек даёт низкую жёсткость подвеса и малое смещение нуля. Требования к пластине приводят Г.Р. Сагателян и соавторы («Инженерный журнал: наука и инновации», 2013): шероховатость Rz = 25 нм, отклонение от плоскостности и плоскопараллельности не более 500 нм.
Выступы на пластине формируют плазмохимическим травлением на глубину 30 мкм (в опытах — на образцах КУ-1). По точности и себестоимости акселерометры с кварцевым чувствительным элементом занимают промежуточное место между поплавковыми и кремниевыми МЭМС и соответствуют требованиям автономной инерциальной навигации (по данным Харламова).
Спутниковая навигация: газовые ячейки стандартов частоты и уголковые отражатели
Шкалу времени спутников ГНСС задают бортовые цезиевые, рубидиевые и пассивные водородные стандарты частоты. В статье Сальцберга и соавторов (Труды ИПА РАН, вып. 68, 2024) рубидиевые стандарты на газовой ячейке названы лучшим выбором по соотношению характеристик и массы. Информационно-аналитический центр ГЛОНАСС в 2022 году сообщал, что «Глонасс-М» оснащены цезиевыми стандартами, а рубидиевые проходят лётные испытания на спутниках «Глонасс-К».
Газовая ячейка служит чувствительным элементом рубидиевого стандарта. Мы изготавливаем по ТЗ и чертежам газовые ячейки с парами рубидия и цезия, ячейки с буферным газом, микро-ячейки и исполнения с электродами. Кварцевое стекло по ГОСТ 15130-86 вместо боросиликатного берём для корпуса при повышенных температурах и для УФ.
Лазерные уголковые отражатели для спутниковой дальнометрии установлены на все космические аппараты ГЛОНАСС (Глотов В.Д. и др., Труды ИПА РАН, вып. 50, 2019). Геометрию призмы и выбор материала под длину волны мы разбираем отдельно: как устроен уголковый отражатель.
Радиопрозрачный обтекатель из кварцевой керамики и теплозащита из кварцевого волокна

Антенный обтекатель ракеты из кварцевой керамики: бой стеклотрубки, помол, шликер, литьё в гипсовой форме и механообработка алмазным инструментом (патент RU 2639548). Пористость 8-11 %, прочность при изгибе не ниже 35 МПа.
Обзор ВИАМ о радиопрозрачных материалах для обтекателей («Труды ВИАМ», 2016, № 5) называет основными материалами головных антенных обтекателей высокоскоростных летательных аппаратов радиолокационного наведения кварцевую и алюмосиликатную керамику, литийалюмосиликатную стеклокерамику и термостойкие стеклокристаллические материалы.
Из-за пористости обтекатели из кварцевой керамики ставят на аппараты, эксплуатируемые в транспортно-пусковых контейнерах. «Плавленый кварц» в терминах обзора отличают низкие теплопроводность и ТКЛР, стойкость к термоудару и невысокая прочность.
Патент RU 2639548 обосновывает выбор кварцевой керамики для обтекателей ракет высокой термостойкостью, низкой теплопроводностью и малыми, стабильными диэлектрическими характеристиками (ε и tgδ) в широком интервале температур и частот. Оболочку диаметром основания 200-350 мм, высотой 600-1000 мм и со стенкой 15-25 мм формуют шликерным литьём в гипсовой форме. Шликером служит водная суспензия кварцевого стекла с SiO₂ не менее 99,8 %. В примере патента её готовят из боя прозрачной кварцевой стеклотрубки, измельчённого мелющими телами из кварцевых стержней.
К началу проектирования «Бурана» в стране не было особо чистого супертонкого кварцевого волокна (аморфный SiO₂ в виде тонких нитей) диаметром 1,5-2 мкм (Каблов Е.Н., «Авиационные материалы и технологии», 2013). Итогом работы ВИАМ стали материалы ТЗМК-10/2,5 и ТЗМК-25 на основе нитевидных кристаллов нитрида кремния, кварцевых волокон и волокон оксида алюминия плотностью 0,15 и 0,25 г/см³, работоспособные до 1250 °C. Материал ТЗМК из кварцевых волокон длительно работает не выше 1000 °C, поэтому для более высоких температур сделали ТЗМК-1700 на волокнах Al₂O₃.
По словам академика Е.Н. Каблова в интервью 2013 года, плитки из особо чистых кварцевых волокон с наружным стекловидным покрытием на 90 % состоят из воздуха. Разогретую до 1100-1200 °C плитку можно было держать на руке. Особо чистый кварц для волокна сначала ввозили из-за рубежа, затем его стали добывать на Южно-Кыштымском месторождении, найденном учёными Уральского отделения АН СССР.
| Материал | Плотность / пористость | Прочность при изгибе | Температурный предел / условие | Источник |
|---|---|---|---|---|
| Кварцевая керамика обтекателя, без кристобалита | Пористость 8–11 % | Не ниже 35 МПа | В патенте не указан; ракета длительно работает при нагреве до 500–800 °C | Патент RU 2639548 |
| Обтекатель («плавленый кварц») | 2 г/см³ | 43 МПа | Не выше 1100 °C; ε = 3,3, tgδ = 0,003 | Сведения одного из зарубежных производителей (обзор ВИАМ) |
| ТЗМК-10/2,5 и ТЗМК-25: Si₃N₄ (нитевидные кристаллы), кварцевые и Al₂O₃ волокна | 0,15 и 0,25 г/см³ | — | До 1250 °C | Каблов Е.Н., 2013 |
Наземные испытания: кварцевые колбы ламп нагрева и оптические окна стендов

Окно визирования модельной камеры сгорания: тонкое внутреннее стекло ограничивает поток, внешнее держит давление, вдоль стекла идёт газовая завеса. Так борются с осаждением трассеров PIV на горячем стекле (Чикишев и др., «Теплоэнергетика», 2024).
При числе Маха 10 температура кромок носовой части и воздухозаборника оценивается в 2400 К при плотности теплового потока 2000 кВт/м² (Елисеев В.Н., Товстоног В.А., Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, сер. «Машиностроение», 2011). В теплопрочностных испытаниях авиационно-космических конструкций используют блоки трубчатых галогенных ламп накаливания, а кварцевое стекло в авиации начинает работать ещё на земле: колба лампы прозрачна в области λ < 3 мкм. Самые мощные из исследованных ламп, типа КГ 220×2000, дают 110-130 Вт/см.
Блоки ламп применяют в зонах до 1600-1700 К. Их ресурс ограничивает перегрев колбы свыше 1200 °C: колба теряет прозрачность из-за нарушения вольфрам-галогенного цикла и осаждения паров вольфрама на внутренней поверхности, а соседние лампы облучают друг друга.
Обзор Л.М. Чикишева с соавторами (ИТ СО РАН; «Теплоэнергетика», 2024, № 1) называет окна визирования из кварцевого стекла отличительной особенностью модельных камер сгорания ГТД с оптическим доступом. Стекло прозрачно в УФ, стойко к температурным нагрузкам и имеет минимальный ТКЛР.
В камере из диссертации Чикишева четыре окна 100×100 мм толщиной 10 мм и два боковых 100×25 мм. В обзоре диссертации описана и зарубежная университетская установка высокого давления: окна толщиной 50 мм и кварцевый цилиндр Ø150 мм со стенкой 3 мм и длиной 230 мм на графитовых прокладках. Трассеры PIV оседают на горячем стекле, поэтому окна защищают газовой завесой и двойным остеклением: тонкое внутреннее стекло ограничивает поток, внешнее держит давление.
Для испытательных стендов мы изготавливаем оптические окна по ТЗ и чертежам. Среди них окна смотровых портов камер высокого и сверхвысокого вакуума и толстостенные окна камер высокого давления под конкретное рабочее давление. Марку кварцевого стекла подбираем под спектральный диапазон стенда.
Свойства кварцевого стекла для космоса и авиации: физика, радиационная стойкость, деградация
Физические параметры и радиационные нормы ниже даны по ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое», который распространяется на заготовки в виде дисков и пластин.
Физические параметры по ГОСТ 15130-86
Таблица по справочному приложению 3 к ГОСТ 15130-86.
| Параметр | Значение | Условия |
|---|---|---|
| ТКЛР | 5,0·10⁻⁷ K⁻¹ / 5,9·10⁻⁷ K⁻¹ | От −60 до +100 °C / от −60 до +300 °C |
| Плотность | 2,21 г/см³ | — |
| Показатель преломления n_D | 1,4584 | — |
| Теплопроводность | 1,35 / 1,81 Вт/(м·К) | 20 °C / 400 °C |
| Степень черноты | 0,93 | 20–500 °C |
| Прочность при изгибе | Не менее 39,2 / не менее 68,7 МПа | 20 °C / 800 °C |
| Прочность при сжатии; модуль Юнга | 588,6 МПа; 73,6 ГПа | — |
| ε при 9,5·10⁹ Гц | 3,8 / 4,0 | 20 °C / 1000 °C |
| tgδ при 9,5·10⁹ Гц | 1·10⁻⁴ / 5·10⁻⁴ | 20 °C / 1000 °C |
| Начало деформации (10¹⁰ Па·с) / размягчение (10⁶·⁶ Па·с) | 1250–1350 °C / 1660–1720 °C | Зависит от марки |
Малый ТКЛР входит в число причин выбора кварцевого стекла для окон камер сгорания. Электрические строки описывают само стекло, а не кварцевую керамику обтекателей: при нагреве до 1000 °C ε меняется с 3,8 до 4,0, а tgδ растёт в 5 раз.
Нормируемый минимум прочности при изгибе при 800 °C (68,7 МПа) выше, чем при 20 °C (39,2 МПа). Прочность при сжатии, 588,6 МПа, в 15 раз превышает нормируемый минимум изгибной прочности при 20 °C.
Радиационная стойкость кварцевого стекла: таблица 21 ГОСТ 15130-86
Излучение создаёт в стекле центры окраски, снижающие пропускание, а часть энергии сразу выделяется как люминесценция, которая даёт фон, снижает контраст и повышает шум. Поэтому стёклам оптических иллюминаторов нужны и радиационно-оптическая устойчивость, и низкая люминесценция.
КУ-1 и КУВИ по определению марки нелюминесцирующие и радиационно-оптически устойчивые. Для КВ требования по радиационно-оптической устойчивости допускается вводить по согласованию потребителя с изготовителем, а показатель люминесценции для КВ стандарт не устанавливает. Механизм разобран в статье лучевое повреждение кварцевого стекла.
Изменение оптической плотности ΔD на 1 см, не более:
| Экспозиционная доза, Р (Кл/кг) | КУ-1, 300 нм | КУВИ, 300 нм | КВ, 300 нм | КУ-1, 540 нм | КУВИ, 540 нм | КВ, 540 нм |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10⁴ (2,58) | — | — | 0,050 | — | — | 0,005 |
| 10⁵ (2,58·10¹) | — | — | 0,150 | — | — | 0,010 |
| 10⁶ (2,58·10²) | 0,050 | 0,070 | — | 0,005 | 0,005 | — |
| 10⁸ (2,58·10⁴) | 0,200 | 0,300 | — | 0,025 | 0,030 | — |
Образцы облучают гамма-источником ⁶⁰Co, хранят в темноте и измеряют не позже чем через сутки; проверку проводят раз в год. КУ-1 и КУВИ нормируются на дозах 10⁶ и 10⁸ Р, в 100 и 10 000 раз выше начальной дозы КВ. После 10⁸ Р пропускание образца КУ-1 толщиной 1 см на 540 нм падает не более чем в 1,06 раза, КУВИ на 300 нм не более чем в 2 раза.
Ограничения и деградация: микрометеороиды, загрязнение, хрупкость, кристаллизация
На внешних стёклах иллюминаторов МКС накапливаются дефекты от микрометеороидов и частиц космического мусора; состояние остекления контролируют два раза в год. По данным ИФПМ СО РАН (2024), удар частицы оставляет кратер с трещинами длиной до нескольких миллиметров. Кратеры и царапины до 1,5 мм образуются на внешних поверхностях долговременных станций за первый год полёта. Расчёты ИФПМ СО РАН и НИИ ПММ ТГУ по соударениям со 120 образцами стёкол дают ресурс иллюминаторов МКС как минимум до 2030 года.
Загрязнение оставляет зоны затемнения от остатков ракетного топлива и продуктов газовыделения материалов станции. 10 августа 2015 года Геннадий Падалка и Михаил Корниенко впервые очистили внешнее стекло в открытом космосе фторлоновой тканью, подобранной на земле. Радикальную защиту, управляемые крышки, применяли, в частности, на «Салюте-7».
ТПУ и ИФПМ СО РАН запатентовали в 2015 году многослойные противометеоритные прозрачные покрытия, а ИФПМ предлагает покрытия до 10 слоёв с ионно-плазменным нанесением. Против хрупкости есть и смена материала: лейкосапфир (Al₂O₃), по данным ИФПМ, в 1,5 раза твёрже кварцевого стекла, но в 3 раза дороже.
В кварцевой керамике обтекателей нормируют отсутствие кристобалита; о том же явлении в прозрачном стекле наша статья кристаллизация (девитрификация) кварцевого стекла.

Допустимое изменение оптической плотности ΔD на 1 см по таблице 21 ГОСТ 15130-86: КВ нормируют по согласованию при 10⁴-10⁵ Р, КУ-1 и КУВИ штатно при 10⁶ и 10⁸ Р. При 10⁸ Р у КУ-1 на 540 нм ΔD не более 0,025.
Кварцевое стекло, кварцевая керамика, кварцевое волокно и α-кварц: что где работает
Пьезоэффектом обладает кристаллический α-кварц, а в аморфном кварцевом стекле его нет («Химия и жизнь», 2023, № 7). Поэтому пьезорезонаторы бортовых генераторов вырезают из монокристалла, а резонаторы ВТГ и маятники акселерометров делают из стекла. Что общего у кварцевого генератора и резонатора гироскопа, кроме слова «кварцевый»? Только химический состав SiO₂: структура у них разная, кристаллическая и аморфная.
| Материал | Структура | Где работает в космосе и авиации | Источник |
|---|---|---|---|
| Кварцевое стекло | Аморфный SiO₂, плотность 2,21 г/см³ | Иллюминаторы, окна стендов, резонаторы ВТГ, маятники акселерометров, газовые ячейки, колбы ламп | ГОСТ 15130-86; Лунин, 2006 |
| Кварцевая керамика | Пористость 8–11 %, из молотого стекла с SiO₂ ≥ 99,8 %, без кристобалита | Головные антенные обтекатели ракет | Патент RU 2639548; «Труды ВИАМ», 2016, № 5 |
| Кварцевое волокно | Особо чистое, требуемый диаметр 1,5–2 мкм | Теплозащитные плитки «Бурана» (в составе ТЗМК) | Каблов Е.Н., 2013 |
| Кристаллический α-кварц | Монокристалл с пьезоэффектом | Генераторы и пьезорезонаторы бортовой электроники | «Химия и жизнь», 2023, № 7 |
| Стекло К-208 (не кварц) | К8 + 2 % CeO₂, 150±20 мкм | Защитные покрытия солнечных батарей, термооптические покрытия радиаторов | Труды МАИ, вып. 102 |
| Остекление кабин самолётов | Кварцевое стекло не подтверждено | Фонари и окна кабин | — |
Добавка 2 % CeO₂ к стеклу К8 повышает радиационную стойкость при сохранении прозрачности. Состав К-208: SiO₂ 69,49 %, B₂O₃ 11,93 %, Na₂O 10,33 %, K₂O 6,25 %, CeO₂ 2,0 %; на слитки К-208 имеется отраслевой стандарт ОСТ 3-3677-82 (Вятлев П.А., Гончаров К.А., Сигаев В.Н. и др., Труды МАИ, вып. 102).
ГОСТ 16548-80 закрепляет термин «кварцевое стекло», а синоним «плавленый кварц» считает недопустимым; классификация дана в статье виды кварцевого стекла и их различия.

Кварцевое стекло, кварцевая керамика и кварцевое волокно относятся к аморфному SiO₂, α-кварц кристаллический. Стекло К-208 для защитных покрытий солнечных батарей кварцевым не является, а для остекления кабин самолётов кварцевое стекло в проверенных публикациях не описано.
Марки по ГОСТ 15130-86 и выбор под аэрокосмическую задачу
В ГОСТ 15130-86 пять марок кварцевого стекла: КУ-1, КУ-2, КВ, КИ и КУВИ, марки «КУВ» в стандарте нет. В нашем каталоге есть изделия из кварцевого стекла марок КУ-1, КУ-2, КВ и КИ.
| Марка | Спектр и полосы поглощения | Радиационная норма (табл. 21) | Люминесценция | Начало деформации / размягчение, °C | Задача в космосе и авиации |
|---|---|---|---|---|---|
| КУ-1 | УФ и видимая, без полос 170–250 нм; полосы 2100–2300 и 2600–2800 нм | 10⁶ и 10⁸ Р, штатно | Нелюминесцирующее | 1250 / 1660 | УФ- и видимая оптика под излучением; резонаторы ВТГ (вывод МГУ о добротности ниже 0 °C); маятник акселерометра (диссертация Харламова) |
| КУВИ | УФ, видимая и ИК; слабые полосы 170–250 и 320–350 нм; полоса 2600–2800 нм | 10⁶ и 10⁸ Р, штатно | Нелюминесцирующее | В прил. 3 нет | Оптика под излучением от УФ до ИК |
| КУ-2 | УФ и видимая; слабая полоса 170–250 нм, полоса 2600–2800 нм | В табл. 21 нет | — | 1330 / 1720 | УФ-оптика без требований по дозе |
| КВ | Видимая; полосы 170–250 и 2600–2800 нм | 10⁴–10⁵ Р, по согласованию | — | 1340 / 1700 | Иллюминаторы РС МКС с покрытиями на 400–2500 нм |
| КИ | Видимая и ИК, без полосы 2600–2800 нм | В табл. 21 нет | — | 1335–1350 / 1720 | Окна с рабочей длиной волны 2600–2800 нм |
Правила выбора:
- Спектр: КУ-1 для УФ 170-250 нм без поглощения, КВ для видимой области, КИ для ИК без полосы 2600-2800 нм, КУВИ от УФ до ИК.
- Доза: нормы табл. 21 штатно есть у КУ-1 и КУВИ, у КВ только по согласованию.
- Съёмка под излучением: нелюминесцирующие КУ-1 или КУВИ; мы бы начинали подбор с КУ-1, а окончательную марку выбирали по длине волны и дозе на ресурс.
- Резонаторы ВТГ: по выводу МГУ лучшая добротность при температуре ниже 0 °C у КУ-1; среди марок, для которых прил. 3 даёт значения, у неё самое низкое размягчение (1660 °C против 1700-1720 °C у КУ-2, КВ и КИ). Маятник акселерометра в диссертации Харламова выполнен из КУ-1.
Размеры, допуски и документы в заказе
Размер заготовок по табл. 3 ГОСТ 15130-86 зависит от марки: КУ-2 и КВ до 1200 мм, КУ-1 до 400 мм, КИ до 200 мм, КУВИ до 160 мм (диаметр диска или диагональ пластины).
Мы работаем с 2004 года, изготавливаем кварцевые изделия по чертежам заказчика и контролируем качество каждой партии. Оптические окна из кварцевого стекла для испытательных стендов делаем с параллельностью граней 1-3′ у стандартных и до 5-10″ у прецизионных, плоскостность проверяем на интерферометре до λ/10 на 633 нм. Со склада в Москве отгружаем и под заказ делаем кварцевые стержни Ø1-100 мм длиной до 2000 мм, а кварцевые трубки выпускаем по чертежу или ТЗ, с припайкой отводов и шлифов и концевыми заглушками.
В ТЗ к чертежу оптической детали (ГОСТ 2.412-81) мы просим указать пять позиций:
- марку стекла по ГОСТ 15130-86 и рабочий спектр;
- дозу облучения на ресурс или требование по табл. 21;
- размеры, параллельность граней и плоскостность;
- один из 14 классов чистоты поверхностей по ГОСТ 11141-84 и покрытие;
- рабочее давление и температуру для окон вакуумных камер и камер давления.
Сводная таблица: какое кварцевое изделие под какой узел
Таблица сводит применение кварцевых изделий в космосе и авиации к десяти позициям: кварцевое стекло в аэрокосмической промышленности работает в семи, керамика и волокно ещё в двух, а в десятой (солнечная батарея) кварца нет.
| Узел | Изделие | Материал или марка | Главное требование |
|---|---|---|---|
| Иллюминатор орбитальной станции | Двухстекольный пакет, стёкла 80–490 мм | Кварцевое стекло КВ, покрытия на 400–2500 нм | Сухой азот 1 кг/см²; осмотр два раза в год |
| Оптика под излучением | Окна, линзы, призмы | КУ-1, КУВИ | Норма табл. 21 при 10⁶ и 10⁸ Р; без люминесценции |
| Гироскоп ВТГ | Полусферический резонатор | Кварцевое стекло; по выводу МГУ ниже 0 °C лучшая добротность у КУ-1 | Q = (1–2)·10⁷ для авиационной точности |
| Акселерометр | Маятник, рамка и подвес из одной пластины | Кварцевое стекло (в диссертации КУ-1) | Rz 25 нм; плоскостность не более 500 нм |
| Стандарт частоты ГНСС | Газовая ячейка с парами Rb | Корпус ячейки: кварцевое или боросиликатное стекло | Кварц при повышенной температуре и в УФ |
| Антенный обтекатель ракеты | Оболочка Ø200–350 мм, стенка 15–25 мм | Кварцевая керамика | Пористость 8–11 %; без кристобалита; изгиб не ниже 35 МПа |
| Теплозащита «Бурана» | Плитки ТЗМК 0,15–0,25 г/см³ | Кварцевое волокно (в составе ТЗМК) | Требуемый диаметр волокна 1,5–2 мкм; ТЗМК из кварцевых волокон длительно не выше 1000 °C |
| Стенд радиационного нагрева | Колба галогенной лампы | Кварцевое стекло | Перегрев колбы свыше 1200 °C снижает ресурс |
| Модельная камера сгорания ГТД | Окна толщиной 10–50 мм, цилиндр Ø150 мм | Кварцевое стекло | УФ-прозрачность; газовая завеса, двойное остекление |
| Солнечная батарея | Защитное стекло 150±20 мкм | Не кварц: К-208 (К8 + 2 % CeO₂) | Радиационная стойкость при сохранении прозрачности |
В таблицу не вошли остекление кабин самолётов и генераторы на кристаллическом α-кварце.
Частые вопросы
Из какого стекла сделаны иллюминаторы МКС?
Иллюминаторы Российского сегмента МКС остеклены кварцевым стеклом КВ с прозрачными покрытиями, пропускающими 400-2500 нм («Космическая техника и технологии», 2017). Все 17 иллюминаторов двухстекольные, с сухим азотом между стёклами.
Какая марка кварцевого стекла устойчивее к космической радиации?
По ГОСТ 15130-86 радиационная стойкость кварцевого стекла штатно нормирована у нелюминесцирующих марок КУ-1 и КУВИ: их проверяют гамма-облучением дозами 10⁶ и 10⁸ Р. Для КВ требование вводят по согласованию с изготовителем и проверяют при 10⁴-10⁵ Р.
Почему обтекатели ракет делают из кварцевой керамики?
Радиопрозрачный обтекатель из кварцевой керамики выбирают за термостойкость, низкую теплопроводность и стабильные ε и tgδ (патент RU 2639548). Прочность такой керамики при изгибе не ниже 35 МПа, а температура эксплуатации «плавленого кварца», по обзору ВИАМ (2016), не выше 1100 °C.
Из чего делают резонатор волнового твердотельного гироскопа?
Резонатор волнового твердотельного гироскопа из кварцевого стекла делают полусферическим, а наилучшие характеристики, по автореферату Б.С. Лунина (МГУ, 2006), даёт марка КУ-1 (по добротности при температуре ниже 0 °C). Для авиационной точности нужна добротность (1-2)·10⁷, а ось симметрии резонатора совмещают с осью наплава стекла (Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014).
Кварцевый генератор и кварцевый акселерометр сделаны из одного кварца?
Кварцевый генератор и кварцевый маятниковый акселерометр делают из разных форм SiO₂: генераторы работают на кристаллическом α-кварце с пьезоэффектом («Химия и жизнь», 2023). Рамку, маятник и упругие перемычки акселерометра выполняют из единой пластины аморфного кварцевого стекла (патент RU 2758892).
Защитные стёкла солнечных батарей тоже кварцевые?
Для защитных покрытий фотоэлементов солнечных батарей космических аппаратов применяют стекло К-208 толщиной 150±20 мкм (Труды МАИ, вып. 102). Это не кварцевое стекло, а стекло К8 с добавкой 2 % CeO₂, которая повышает радиационную стойкость при сохранении прозрачности.
Какие кварцевые изделия нужны для наземных испытаний авиационной и космической техники?
При наземных испытаниях применение кварцевых изделий в космосе и авиации сводится к трём позициям: колбы галогенных ламп радиационного нагрева, окна модельных камер сгорания ГТД, окна вакуумных камер и камер давления. Блоки ламп с кварцевой колбой работают в зонах до 1600-1700 К, а ресурс блока ограничивает перегрев колбы свыше 1200 °C (Елисеев, Товстоног, 2011).
Нормы табл. 21 ГОСТ 15130-86 разведены по дозам: 10⁴-10⁵ Р для КВ, 10⁶ и 10⁸ Р для КУ-1 и КУВИ. Применение кварцевых изделий в космосе и авиации под излучением начинают с выбора марки по рабочему спектру и дозе на ресурс.
Отправьте ТЗ или чертёж с указанием марки или рабочего спектра, размеров и допусков, требования по радиационно-оптической устойчивости. Если марка не выбрана, подберём её по спектру и дозе, а кварцевые изделия (окна, стержни, трубки, газовые ячейки) изготовим по чертежу.
Есть вопросы? Свяжитесь с нами!
Балаклавский проспект, 24, к. 1, оф. 1/1 Главный офис