Применение титановых сплавов в аэрокосмической отрасли

Применение титана в аэрокосмической промышленности также достигло цели снижения стартового веса, увеличения дальности и экономии затрат, и является популярным материалом в аэрокосмической промышленности. В ракетах, ракетах и ​​аэрокосмической промышленности его можно использовать в качестве сосудов высокого давления, топливных баков, оболочек ракетных двигателей, сопловых рукавов ракет, оболочек искусственных спутников, кабин пилотируемых космических кораблей (обшивка и структурный каркас), посадочных устройств, лунных модулей, двигательных установок и т. д.

Сплав Ti-6Al-4V широко используется в качестве материала оболочки ракетного двигателя первой ступени в США. Другие сплавы, в которых используется этот сплав, включают: гигантские цилиндрические контейнеры для жидкостных ракет; межконтинентальные баллистические ракеты, ракеты «Минитмен» и другие сферические и эллиптические оболочки двигателей и т. д. С другой стороны, поскольку элементы внедрения сплавов Ti-6Al-4VELI и Ti-5Al-2.5SnELI имеют низкое содержание кислорода и могут использоваться при сверхнизких температурах, эти сплавы используются в качестве контейнеров для жидкого водорода ракет и снарядов, герметичных кабин космических кораблей «Меркурий» и «Джемини», а также основных конструктивных деталей космического корабля «Аполлон», успешно приземлившегося на Луну.

Помимо промышленного чистого титана, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4VELI и Ti-5Al-2.5SnELI, титан и титановые сплавы, используемые в аэрокосмической промышленности, также включают Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al и композитные материалы Ti/B-Al. Космический челнок — первый в мире пилотируемый космический корабль, который можно использовать повторно. Его начали разрабатывать в 1972 году, а первый полет был успешным в 1981 году. Космический корабль состоит из небольшого крылатого самолета, внешнего топливного контейнера длиной 47 м и двух твердотопливных ракетных ускорителей общей массой 500 т. Длина орбитального космического корабля составляет 37 метров, а вес — около 68 тонн. Этот размер примерно соответствует размеру реактивного транспортного самолета DC-9. Это самый большой пилотируемый космический корабль на сегодняшний день. Его грузовой отсек имеет длину 18 метров и диаметр 5 метров и может транспортировать 29,5 тонн груза на орбиту Земли.

Космический челнок может быть запущен как ракета и летать по орбите с максимальной высотой 1000 км как космический корабль. При отсутствии тяги он может планировать и приземляться как самолет. Этот космический челнок по сути является космическим транспортным кораблем, поэтому одним из параметров, по которым можно судить о его полезности, является эффективная нагрузка для транспортировки между Землей и земной орбитой. Чтобы максимизировать эту эффективную нагрузку, титановый сплав стал важным материалом для компонентов аэрокосмических двигателей.

Проектный срок службы орбитального космического корабля составляет 100 полетов, и каждый полет длится от 7 до 30 дней во Вселенной. Космический корабль пилотируемый, поэтому он спроектирован так, чтобы адаптироваться к космической среде (вакуум, экстремальные перепады температур на орбите, выделение тепла при возвращении в атмосферу и т. д.) и использоваться многократно.

1. Сосуды высокого давления
Титановые сплавы используются во многих местах, поскольку они могут снизить общий вес космических аппаратов, находящихся на орбите. Основное применение титана — в сосудах высокого давления для необходимого топлива и газа. Легкие контейнеры из титанового сплава были успешно разработаны в космических программах НАСА «Джемини» и «Аполлон» с использованием сплава Ti-6Al-4V. Железные сосуды высокого давления на космическом корабле «Аполлон» фактически использовали беспрецедентную конструкцию с коэффициентом безопасности 1,5, которая ранее была разработана с коэффициентом безопасности около 4. Чтобы еще больше облегчить контейнер для хранения высокого давления орбитального космического челнока, принят метод добавления белого кверцетинового волокна (ароматическое органическое волокно, производимое компанией DuPont в США) на поверхность тонкостенного титанового контейнера. Сосуды высокого давления для хранения сжатого газа. Спутник и ускоритель «Рейнджер» совместно использовали 14 титановых контейнеров, что уменьшило общую массу на 272 кг. Сосуды высокого давления для хранения жидкого топлива. На космическом корабле «Аполлон» использовалось около 50 сосудов высокого давления, 85% из которых были изготовлены из титана. Двигатель переходной ступени Hercules III был уменьшен на 35% после перехода на топливный бак из титанового сплава.

2. Корпус двигателя
Корпус твердотопливного ракетного двигателя. Ракетный двигатель второй ступени межконтинентальной ракеты «Minuteman» использует сплав Ti64 для снижения веса на 30%~40%. Корпус жидкотопливного ракетного двигателя. Корпус камеры сгорания спускаемого двигателя лунного модуля «Apollo» изготовлен из сплава Ti64.

3. Различные конструктивные элементы
Титановые сплавы также широко используются в различных конструктивных деталях. Герметичная кабина космического корабля «Меркурий» в основном изготовлена ​​из титана, что составляет 80% веса кабины. В космическом корабле «Джемини» используется 7 марок титановых сплавов, в которых используется 570 кг титановых деталей, что составляет 84% веса конструкции. Кронштейны, крепления и крепежные элементы космического корабля «Аполлон» полностью изготовлены из титана, в общей сложности использовано 68 тонн титана.

4. Гидравлические трубопроводы
Гидравлический трубопровод космического челнока использует бесшовные трубы из сплава Ti-3Al-2.5V. Благодаря использованию этого сплава вес может быть снижен более чем на 40%. Для того чтобы снизить чувствительность к усталостному разрушению и увеличить фактический срок службы системы, сборка различных труб использует автоматическую формовку.