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          鈦及鈦合金行業

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          鈦在航天領域的應用

             2022-09-19 1400

            在航天工業中的應用,主要利用其低密度、高強度、耐高溫、耐腐蝕等性能。

            鈦在航天工業中應用也達到了減輕發射重量、增加射程、節省費用的目的,是航天工業的熱門材料。在火箭、導彈和航天工業中可用作壓力容器、燃料貯箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴套管、人造衛星外殼、載人宇宙飛船船艙(蒙皮及結構骨架)、起落架、登月艙、推進系統等。

            美國一級火箭發動機殼體材料廣泛使用的是Ti-6Al-4V合金。使用該合金的還有:巨形圓筒狀的液體火箭容器;洲際彈道導彈、“民兵”導彈等多個球形和橢圓形的發動機殼體等。另一方面,由于Ti-6Al-4VELI和Ti-5Al-2.5SnELI合金間隙元素特別是氧含量低,能在超低溫下使用,所以這些合金都用作火箭與導彈液態氫容器、“水星”宇宙飛船及“雙子星座”飛船的密封艙,以及在月球上著陸成功的“阿波羅(Apollo)”宇宙飛船的主要結構件。

            航天工業使用的鈦及鈦合金中除了使用了工業純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-4VELI和Ti-5Al-2.5SnELI以外,還有Ti-7Al-4Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al及Ti/B-Al復合材料。

            宇宙飛船航天飛機,是能夠反復使用的世界上最早載人的宇宙飛船。從1972年開始研制,1981年第一次飛行成功。宇宙飛船由有小形翼的飛行器和47m長的外部燃料容器及總計500t的2座固體燃料火箭助推器構成。

            軌道宇宙飛船,長37m,重約68t,該尺寸和噴氣式運輸機DC-9大體相同,是迄今最大的載人宇宙飛船,其貨倉長度為18m,直徑為5m,能把29.5t的貨物運送到地球軌道上。

            航天飛機能像火箭那樣發射,并像宇宙飛船那樣,在最大高度1000km的軌道上飛行,在沒有推力的情況下,能像飛機那樣滑翔著陸。這種航天飛機,本質上是宇宙運輸船,所以,判斷其有用性的參數之一,是往返于地球和地球軌道間運輸的有效載重量。為使這個有效載重量最大,鈦合金成為航天電機構件的重要材料。

            軌道宇宙飛船的設計壽命為100次飛行,每次飛行在宇宙間停留日期為7~30天,宇宙飛船是載人的,所以設計成能適應宇宙空間環境(真空、在軌道上的極端溫差、返回大氣層時的發熱等),并反復使用。

            1.高壓容器

            鈦合金由于能減輕宇宙飛船繞軌道飛行器的總重量,因此使用在很多地方。鈦的主要使用部分是裝入所必需的燃料及氣體的高壓容器。輕量的鈦合金制容器,在美國國家宇航局的雙子星座飛船、阿波羅飛船兩計劃上研制成功,采用Ti-6Al-4V合金。阿波羅飛船上的鐵制壓力容器,已實際使用了沒有前例的安全系數為1.5的設計,以前是用安全系數約為4進行設計的。為使軌道航天飛機高壓貯藏容器進一步輕量化,采用在薄壁鈦容器的表面上,加上白雀纖維(美國杜邦公司生產的芳香族有機纖維)的方法。

            貯存壓縮氣體的壓力容器?!芭腔舱摺毙l星和助推器共用了14個鈦容器,共減輕質量272kg。

            貯存液體推進劑的壓力容器?!鞍⒉_”飛船上使用了50個左右的壓力容器,有85%是鈦制的。大力神Ⅲ過渡級發動機,改用鈦合金推進劑貯箱后重量減輕35%。

            2.發動機殼體

            固體燃料火箭發動機殼體?!懊癖敝揠H導彈第二級火箭發動機采用了Ti64合金重量減輕30%~40%。

            液體燃料火箭發動機殼體?!鞍⒉_”登月艙下降發動機燃燒室的承壓殼是由Ti64合金制成。

            3.各種結構件

            鈦合金還廣泛用于各種結構件?!八恰碧栍钪骘w船的壓力艙主要為鈦材,占座艙重量的80%?!半p子星座”號宇宙飛船所用鈦合金牌號有7種,使用鈦件570kg,占結構重量的84%?!鞍⒉_”號宇宙飛船的托架、夾具和緊固件均用鈦制成,共使用68t鈦材。

            4.油壓配管

            航天飛機的油壓配管使用Ti-3Al-2.5V合金制造的無縫管,由于采用這種合金,重量能夠減輕40%以上,為了減少對疲勞斷裂的敏感性和提高系統的實際壽命,各種管的裝配采用了自動成形。


           
          標簽: 航天領域
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