Аэрокосмические материалы: Виды, выбор и применение

Условия эксплуатации аэрокосмических материалов

Аэрокосмические материалы должны не только выдерживать высокие напряжения и инерционные силы, но и противостоять ударным и переменным нагрузкам, возникающим при взлете и посадке, вибрации двигателя, быстром вращении деталей, резком ветре и маневрировании в полете.

Воздействие газов двигателя и солнечной радиации на самолет создает высокотемпературную среду, а повышенная скорость полета приводит к значительному аэродинамическому нагреву.

Эти материалы также подвергаются воздействию различных температур, включая падение до -50°C при полете на дозвуковой скорости в стратосфере и еще более низкие температуры в полярных регионах в зимний период.

Металлические компоненты и резиновые шины подвержены охрупчиванию, а горюче-смазочные материалы могут оказывать коррозионное воздействие на металлические материалы и разбухание на неметаллические материалы.

Кроме того, воздействие солнечной радиации, ветровой и дождевой эрозии, а также длительное хранение во влажной среде могут ускорить процесс старения полимерных материалов.

Выбор и применение аэрокосмических материалов

Аэрокосмические аппараты функционируют в атмосфере и космическом пространстве на протяжении длительного времени. Чтобы обеспечить их высокую надежность, безопасность и оптимальные летные характеристики, они должны быть спроектированы таким образом, чтобы эффективно работать в сложных условиях.

Для достижения этих целей необходимо оптимизировать конструкцию в соответствии с аэродинамическими, технологическими и эксплуатационными требованиями. Однако для этого также необходимо использовать материалы, обладающие превосходными характеристиками и функциями.

1. Принцип выбора материала

В процессе эксплуатации конструктивные элементы должны выдерживать различные виды внешних воздействий без превышения допустимого уровня деформации или разрушения в течение определенного времени.

Одной из целей проектирования аэрокосмических конструкций является минимизация их размеров и веса. В прошлом основное внимание уделялось статической прочности компонентов, часто игнорируя или не уделяя должного внимания их пластической вязкости. Это приводило к катастрофическим авариям.

Основные конструктивные элементы магистральных самолетов

Чтобы обеспечить безопасность структурных компонентов и максимально использовать характеристики материалаПри проектировании деталей аэрокосмических конструкций произошел переход от "принципа расчета на прочность" к "принципу расчета на устойчивость к повреждениям", а также к "принципу проектирования полного жизненного цикла".

На этапе проектирования учитываются все аспекты жизненного цикла продукта, а все соответствующие факторы всесторонне рассматриваются и оптимизируются на этапе разработки продукта.

Материалы должны обладать не только высокой удельной прочностью и жесткостью, но и определенной вязкостью разрушения и удара, усталостной прочностью, стойкостью к высоким и низким температурам, коррозионной стойкостью, стойкостью к старению, стойкостью к формовке, а также улучшенными эксплуатационными показателями.

Разное выбор материала В различных зонах нагрузок применяются критерии прочности, а материалы выбираются с учетом специфических требований к каждому компоненту. Для областей с высокой нагрузкой используются критерии прочности и выбираются высокопрочные материалы. Для областей со средней нагрузкой используются критерии жесткости, и выбираются материалы с высоким модулем упругости. В зонах с низкой нагрузкой в первую очередь учитывается стабильность размеров, чтобы компоненты были больше минимального критического размера.

При выборе и оценке конструкционных материалов следует выбирать соответствующие методы испытаний механических свойств (растяжение, сжатие, удар, усталость, низкотемпературное воздействие) в зависимости от условий эксплуатации и напряженного состояния. Необходимо всесторонне рассмотреть прочность, пластичность и вязкость материала для различных режимов разрушения, включая вязкое разрушение, хрупкое разрушение, усталость под напряжением, усталость при деформации, коррозию под напряжением, водородное охрупчивание, охрупчивание при нейтронном облучении и т.д.

Для конструкций, находящихся под напряжением, распределение напряжений должно быть равномерным как на поверхности, так и в сердцевине, а выбранный материал должен иметь однородную структуру и характеристики, с хорошей прочностью для крупных конструкций.

Для элементов, подвергающихся нагрузкам на изгиб и кручение, существует большая разница напряжений между поверхностью и сердцевиной, поэтому можно использовать материалы с низкой твердостью.

Предел усталости и чувствительность к надрезу являются важными критериями оценки при выборе материала для деталей, подвергающихся переменным нагрузкам.

Для компонентов, подвергающихся воздействию коррозионной среды, такие факторы, как коррозионная стойкость, чувствительность к водородному охрупчиванию, склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением и коррозия усталостная прочность являются важными показателями оценки при выборе материала.

Для материалов, используемых в высокотемпературных условиях, необходимо учитывать стабильность структуры, а для низкотемпературных - низкотемпературные характеристики.

Снижение веса имеет практическое значение для повышения безопасности самолета, увеличения полезной нагрузки и выносливости, улучшения маневренности и дальности полета, а также снижения расхода топлива и пропеллента и стоимости полета. Чем выше скорость самолета, тем более значительным становится снижение веса. Например, снижение массы истребителя на 15% может привести к сокращению дистанции руления на 15%, увеличению дальности полета на 20% и увеличению полезной нагрузки на 30%.

Для летательных аппаратов краткосрочного использования, таких как ракеты или ракеты-носители, необходимо достичь эквивалентных функций при минимальном объеме и массе, стремясь к максимизации характеристик материала и выбирая минимально возможный запас прочности для обеспечения абсолютной надежности в течение всего срока службы.

2. Основные аэрокосмические материалы

Уменьшение массы конструкции может быть достигнуто за счет снижения плотности на 30%, что превышает прочность на 50%.

Алюминиевые сплавыТитановые сплавы и композитные материалы являются основными материалами, используемыми в аэрокосмических конструкциях благодаря их высокой удельной прочности и жесткости, что позволяет повысить полезную нагрузку, маневренность и выносливость летательных аппаратов при одновременном снижении стоимости полета.

Использование сверхвысокопрочной стали (с предел текучести более 1380 МПа) в аэрокосмической технике ограничивается менее чем 10%.

Для современных самолетов, таких как сверхзвуковые истребители, количество сверхпрочной стали стабильно составляет 5% ~ 10%, прочность на разрыв - 600 ~ 1850 МПа, иногда до 1950 МПа, а вязкость разрушения KIc = 78 ~ 91 МПа - м1 / 2.

Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь обычно используется для несущей конструкции фюзеляжа в условиях активной коррозии, а безуглеродистая коррозионно-стойкая сталь - для компонентов самолетов, оснащенных двигателями на водородном топливе, использующими жидкий водород и водородную среду.

Основными конструкционными материалами, используемыми в фюзеляжах самолетов в XXI веке, являются алюминиевые сплавы, включая сплавы серий 2XXX, 7XXXX и алюминиево-литиевые сплавы. Добавление лития в алюминиевые сплавы позволяет повысить их прочность и уменьшить плотность, тем самым повышая их удельную прочность и жесткость.

Алюминиево-литиевые сплавы используются в больших транспортных самолетах, истребителях, стратегических ракетах, космических челноках и ракетах-носителях, а также в таких компонентах, как головные части, несущие элементы, баки для хранения жидкого водорода и жидкого кислорода, трубопроводы и адаптеры полезной нагрузки. Они считаются перспективным материалом для развития аэрокосмической отрасли.

Алюминиево-литиевые сплавы третьего и четвертого поколений больше не являются приоритетом низкой плотности и обладают лучшими общими свойствами. По сравнению с алюминиево-литиевыми сплавами третьего поколения сплавы четвертого поколения обладают более высокой статической прочностью (особенно пределом текучести) и вязкостью разрушения, сохраняя при этом эквивалентную скорость роста трещин, усталостные характеристики, коррозионные характеристики и модуль упругости.

Титановый сплавимеют более высокую удельную прочность, чем алюминиевые сплавы, и используются для изготовления таких компонентов самолета, как рама, направляющие и кронштейны закрылков, основание двигателя, детали посадочной рамы, а также нагревательные элементы, такие как кожух выхлопной трубы и противопожарный экран. Для сверхзвуковых самолетов с числом Маха более 2,5 температура поверхности может достигать 200-350°C, и в качестве обшивки могут использоваться титановые сплавы.

Титановые сплавы высокой чистоты и высокой плотности, полученные методами быстрого затвердевания/порошковой металлургии, обладают хорошей термической стабильностью и сохраняют прочность при температуре 700°C, аналогичную прочности при комнатной температуре. Разработанные высокопрочные и высокожесткие титановые сплавы β-типа были выбраны NASA в качестве матричного материала для композиционных материалов SiC/Ti, используемых в фюзеляжах и панелях крыльев самолетов.

Доля титановых сплавов, используемых в авиации, постепенно увеличивается: 20% используется в фюзеляжах гражданской авиации, а 50% - в фюзеляжах военных самолетов.

Металлические матричные композиты, высокотемпературные смоляные матричные композиты, керамические матричные композиты и углерод/углеродные композиты играют все более важную роль в аэрокосмической промышленности.

Углеродные/углеродные композиционные материалы сочетают в себе огнеупорные свойства углерода с высокой прочностью и жесткостью углеродных волокон. Они обладают превосходной термостабильностью и теплопроводностью, а также высокой прочностью и вязкостью при температуре 2500°C при плотности, составляющей лишь четвертую часть от плотности высокотемпературных сплавов.

Большое внимание уделяется гибридным композитам, например, добавлению стекловолокна в композиты из углеродного волокна для улучшения ударных характеристик или добавлению углеродного волокна в пластики, армированные стекловолокном, для повышения жесткости.

Слоистые композитные материалы также находят все более широкое применение в аэрокосмической технике, например, в самолете A380 3% используется новый ламинат GLARE. Ламинат - это композитный материал, изготовленный путем укладки двух различных материалов друг на друга под давлением.

Ламинат обычно состоит из верхней панели, верхнего связующего слоя, основного материала, нижнего связующего слоя и нижней панели. Его прочность и жесткость выше, чем у отдельных панелей или основного материала. Он используется в транспортных и истребительных самолетах.

Ламинат GLARE формируется путем горячего прессования нескольких тонких алюминиевых пластин и однонаправленного стекловолокна, предварительно пропитанного эпоксидным клеем, под давлением или в горячий пресс резервуар, как показано на рисунке 1. Сайт алюминиевые пластины необходимо предварительно обработать, чтобы облегчить адгезию к предварительно пропитанному слою волокна.

В таблице 1 приведены типы коммерческих ламинатов GLARE, из которых при необходимости можно изготавливать пластины различной толщины. Волокна могут иметь 2, 3, 4 или более слоев, а их содержание и направление может соответствовать требованиям, указанным в таблице. Каждый тип ламината GLARE может иметь различные формы и может быть приспособлен для удовлетворения конкретных потребностей.

Рис. 1 Схема ламината для защиты от бликов

Таблица 1 Типы имеющихся в продаже антибликовых ламинатов

Ламинат

Алюминиевый слой

Волокнистый слой

Стандартная плотность / (г / см 3

алюминиевое изделие

Толщина одного слоя / мм

ориентация

Толщина одного слоя / мм

GLARE1

GLARE2

GLARE3

GLARE4

GLARE5

GLARE6

7475-T76

2024-T3

2024-T3

2024-T3

2024-T3

2024-T3

0.3~0.4

0.2~0.5

0.2~0.5

0.2~0.5

0.2~0.5

0.2~0.5

Однонаправленный

Однонаправленный

0°/ 90° ортогональный

0°/ 90°/0° ортогональные

0°/ 90°/90°/0° ортогональные

+45 ° / - 45 ° ортогональный

0.25

0.25

0.25

0.375

0.5

0.25

2.52

2.52

2.52

2.45

2.38

2.52

Технология сращивания ламинатов GLARE решает проблему ограниченной ширины пластин. Как показано на рис. 2, между одним и тем же слоем алюминиевых пластин имеется узкий шов, при этом швы между разными слоями расположены в разных местах. Эти швы могут быть соединены с другими слоями алюминиевых пластин через слои волокон, что позволяет изготавливать стеновые пластины или всю обшивку фюзеляжа с превосходной усталостной прочностью, коррозионной стойкостью и огнестойкостью, устраняя необходимость в отверстиях для заклепок и возникающую концентрацию напряжений.

Для обеспечения безопасной передачи нагрузки в месте соединения может быть добавлен армирующий слой, например, слой металлической пластины или слой стекловолокна, предварительно пропитанного смолой.

Рис. 2 Схема сращивания бликующего ламината

Сотовые сэндвич-композитные материалы состоят из сэндвич-ядра и кожи (панели). Кожа может быть изготовлена из алюминия или углеродно-эпоксидных композитных материалов, а сердцевина сэндвича напоминает соты и состоит из ряда шестиугольных, четырехугольных или других по форме ячеек, изготовленных из металла, стекловолокна или композитных материалов. Верхняя и нижняя поверхности сэндвича приклеиваются или припаиваются к более тонким панелям.

Материал сердцевины алюминиевых сотовых сэндвич-композитов изготавливается путем склеивания алюминиевой фольги различными способами и формирования сот различной спецификации путем растяжения. Характеристики материала сердечника в первую очередь определяются толщиной алюминиевой фольги и размером ячеек.

Эти материалы обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, хорошей ударопрочностью, снижением вибрации, передачей микроволн и высокой конструктивной пригодностью. По сравнению с клепаными конструкциями, эффективность конструкции может быть увеличена на 15% - 30%.

Сотовые сэндвич-структуры могут использоваться для изготовления различных стеновых панелей, таких как поверхности крыльев, поверхности кабин, крышки кабин, полы, крышки двигателей, пластины глушителей, теплоизоляционные пластины, оболочки спутниковых звезд, параболоидные антенны, днища баков для хранения ракетного топлива и многое другое. Однако сотовые сэндвич-структуры подвержены коррозии в определенных условиях.

При ударе сотовый сэндвич подвергается постоянной деформации и отделяется от кожи.

3. Анализ аэрокосмических материалов

В таблице 2 показано процентное соотношение конструкционных материалов, используемых в военных самолетах в США. Наблюдается тенденция постепенного увеличения использования композитных материалов и титановых сплавов, в то время как использование алюминиевых сплавов снижается.

Таблица 2 процентное соотношение конструкционных материалов для военных самолетов США

ТипСтальСплавТитановый сплавКомбинированный материал
F-165823
F-18A/B1550129.5
F-18C/D16501310
F-18E/F14312123
F-225164124
F-352736
F1175202510
B-19412129
B26192638
C1712.369.310.38.1

В таблице 3 показано распределение материалов, используемых в типичных магистральных самолетах. В самолете B787 используется 50% композитных материалов, а в самолете A350 - 52% композитных материалов. Использование композитных материалов становится тенденцией в аэрокосмической промышленности благодаря их способности снижать вес, повышать устойчивость к повреждениям, обеспечивать защиту от коррозии и увеличивать долговечность.

Однако композитные материалы имеют и недостатки, такие как высокая стоимость, ограниченная ударопрочность, недостаточная пластичность, повышенная техническая сложность, плохая ремонтопригодность и сложность в переработке. В результате использование композитных материалов не увеличилось в самолетах A320neo и B737MAX по сравнению с A320 и B737.

Таблица 3 доля типичных материалов для магистральных самолетов (%)

ТипАлюминиевый сплавСтальТитановый сплавКомбинированный материалДругие
B3737912531
B7477913431
B7577812631
B7678014231
B77770117111
B787201015505
A3007613452
A310748567
A3206665158
A330/A3406655168
A3806155227
A35020714527
MD-8274.51267.5
МС-2133519385
C919638821

Большинство отсеков кабины пилотируемых космических кораблей изготавливаются из алюминиевых сплавов, титановых сплавов и композитных материалов. Например, орбитальные блоки космического челнока состоят в основном из алюминиевых сплавов, а тяговая конструкция, поддерживающая основной двигатель, - из сплава цинь. Основной каркас средней части фюзеляжа состоит из металломатричного композитного материала, армированного борным волокном из алюминиевого сплава, а дверь грузового отсека изготовлена из специальной бумажной сотовой многослойной структуры с графитовым волокном из композитного материала на основе эпоксидной смолы в качестве панели.

Абляционные материалы используются для внешней поверхности головной части ракеты, капсулы входа в атмосферу космического корабля и внутренней поверхности ракетного двигателя. Под воздействием теплового потока эти материалы могут претерпевать физические и химические изменения, включая разложение, плавление, испарение, сублимацию и эрозию. Это приводит к массовому расходу поверхности материала, который отводит большое количество тепла, предотвращая попадание теплового потока при входе в атмосферу на летательный аппарат и охлаждая камеру сгорания и сопло ракетного двигателя.

Для поддержания надлежащей температуры в кабине принимаются меры радиационной теплозащиты спускаемого аппарата. Внешняя обшивка выполнена из жаропрочного сплава на никелевой основе или бериллиевой пластины, а внутренняя структура - из жаропрочного сплава. Внешняя обшивка и внутренняя структура заполнены материалами с хорошими теплоизоляционными свойствами, такими как кварцевое волокно и композитная керамика из стекловолокна.

Заключение

С реализацией и постоянным развитием таких космических проектов, как пилотируемые полеты, освоение Луны, исследование дальнего космоса, спутники высокого разрешения, высокоскоростные аппараты, многоразовые аппараты и космические мобильные аппараты, к материалам предъявляются все более высокие требования, что открывает новые возможности и стимулирует разработку новых аэрокосмических материалов.

Значительные успехи были достигнуты в независимой проверке основных видов сырья и инженерных приложений в области материалов.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.