铝材在运载火箭上的应用

2021-4-26 9:28:44来源:网络作者:
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铝材已成为运载火箭中极为重要的关键材料,因为铝合金有低的密度与极佳的无与伦比的低温性能,发射火箭的液氢液氧燃料贮箱是用铝合金制的,舱段主结构件用的材料也是铝合金。现在运载火箭结构材料已进入第四代,即含少量Li的2系、5系合金时代,主要合金为2195、2196、2098、2198、2050。中国在发展航空航天Al-Li铝合金方面与国外相比还有较大差距,但可于2025年前后全面赶上或超过他们,成为世界领跑者。

由于铝合金的密度小(≤2.8g/cm3)、比强度与比刚度大、抗腐蚀、抗疲劳、韧性好、加工成型性能优秀、是资源丰富、价格适中、对人体与环境无害、循环性能最优的工业金属,因此在国民经济各部门获得了广泛应用,已成为第二大金属,2020年,全世界原铝与再生铝产量约95000kt,是一类从日用品到航空航天各领域不可或缺的材料。在当今运载火箭结构材料中,铝材、铝基复合材料是用量最大的一类材料。据作者估计,在运载火箭结构与零部件中,铝及铝合金的净质量占结构总净质的85%以上。

贮箱结构

结构用材与箭体结构设计、制造加工工艺、材料制备工艺、经济性等一系列问题休戚相关,是决定火箭起飞质量和有效载荷能力的关键。按材料体系的发展历程,可将火箭燃料贮箱材料的发展历程分为四代。第一代为5系铝合金,即Al-Mg系合金,代表合金为5A06、5A03合金,从上世纪50年代末用于制造P-2火箭燃料贮箱结构开始,至今仍在采用,5A06合金含5.8% Mg~6.8% Mg,5A03是一个Al-Mg-Mn-Si合金。第二代为Al-Cu系2系合金,中国长征系列运载火箭贮箱就是用2A14合金制造的,是一种Al-Cu-Mg-Mn-Si合金;从20世纪70年代到现在,中国开始用2219合金制造贮箱,这是一个Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti合金,广泛用于制造各种运载火箭贮箱,同时武器发射低温燃料贮箱结构上也得广泛应用,是一种低温性能与综合性能俱佳的合金;第三代为Al-Li合金,即含Li量≤3.0%的2系合金和5系合金,前者为美国、英国、德国、日本等采用,而后者是俄罗斯研发的,20世纪80年代国外就开始使用,早已进入工业化制备与工程化应用阶段,而中国目前仅在航空工业有规模不大的应用,运载火箭贮箱结构尚未见应用实例报道。

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