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                    航空航天兵器

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                    中國空氣動力研究與發展中心2.4m風洞工程                      中國兵器工業江南機器集團

                    中航工業吉林航空維修有限責任公司(原空軍5704廠)       空軍仿真技術項目

                    總參57所                                                                    中國空空導彈研究院

                     

                    應用領域描述

                           鋁作為一種理想的輕質材料,潛在優勢變得越來越明顯。因此,近年來,鋁在航空航天領域的使用也越來越多。

                           質輕、經濟 助鋁材“飛天”

                           據統計,進入空間軌道的航天運載器重量每減輕1kg,其發射費用將節省約2萬美元,因此結構減重在航天領域可謂“克克計較”。戰斗機重量若減輕15%,則可縮短飛機滑跑距離15%,增加航程20%,提高有效載荷30%。因此,世界各國十分重視研制和開發航空航天用輕質結構材料。鋁因其自身的輕量化、高強度、加工方便和價格經濟等特點,受到特別的關注。

                           目前,在進行飛行器的設計時,設計師大多會選擇具有高比強度和比剛度的結構材料,以減輕飛機的結構重量,改善飛行性能,增加經濟效益。同時,該結構材料還應具有良好的可加工性,便于制成所需要的零件。目前,各種飛機都以鋁合金作為主要結構材料。飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造。飛機依用途的不同,鋁的用量也不一樣。著重于經濟效益的民用機型大量采用鋁合金,部分原因就是鋁合金價格便宜。如波音767客機采用的鋁合金約占機體結構重量81%。軍用飛機因要求有良好的作戰性能而相對地減少鋁的用量,如F-15高性能戰斗機僅使用35.5%鋁合金。  

                           部分鋁合金因其具有良好的低溫性能,可在液氫和液氧環境下工作,它與濃硝酸和偏二甲肼不起化學反應,具有良好的焊接性能,因而是制造液體火箭的好材料。發射“阿波羅”號飛船的“土星”5號運載火箭各級的燃料箱、氧化劑箱、箱間段、級間段、尾段和儀器艙都用鋁合金制造。航天飛機的乘員艙、前機身、中機身、后機身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用鋁合金制做的。各種人造地球衛星和空間探測器的主要結構材料也都是鋁合金。從中我們可以看出,鋁合金在航空航天領域所起到的作用至關重要。

                    鋁合金廣泛應用于航空航天領域

                           鋁合金在航天航空中的應用開發可分為幾個階段:20世紀50年代主要目標是減重和提高合金剛度、強度;60-70年代主要目標是提高合金耐久性和損傷容限,開發出7XXX系合金T73和T76熱處理制度、7050合金和高純合金;80年代由于燃油價格上漲而要求進一步減輕結構重量;90年代至今,鋁合金的發展目標是進一步減重,并進一步提高合金的耐久性和損傷容限。例如開發出高強、高韌、高抗腐蝕性能的新型鋁合金,大量采用厚板加工成復雜的整體結構部件代替以前用很多零件裝配的部件,不但能減輕結構重量,而且可保證性能的穩定。

                           目前,應用在航空航天的鋁合金主要分為:鋁合金鑄件、鋁合金大型擠壓型材、鋁合金厚板和鋁-鋰合金等。

                           鋁合金鑄件:在現代飛機結構件中,利用了1500-2000種鋁鑄件,根據飛機不同的使用條件和部位,主要用了3種基本的鋁合金:即高強鋁合金、耐熱鋁合金、耐蝕鋁合金。高強鋁合金主要用于飛機機身部件、發動機艙、座椅、操縱系統等。耐熱鋁合金零件主要用于靠近電動機的機艙、空氣交換系統等。耐蝕鋁合金具有足夠高的性能指標,其強度、塑性、沖擊韌性、疲勞性能和可焊性都很好,更主要的是其具有耐蝕性,這樣就可用于水上飛機。

                           鋁合金大型擠壓型材:隨著科學技術的進步,鋁合金型材正向著大型化、整體化、薄壁扁寬化、尺寸高精化、形狀復雜化方向發展,應用范圍已由民用型材料推廣到航天航空用型材,大型型材的主要特點有:大型化和整體化、薄壁化和輕量化、斷面尺寸和形位公精密化、組織性能的均勻化與優質化。航天航空用大型擠壓型材主要有:整體帶筋壁板、工字大梁、機翼大梁、梳狀型材、空心大梁型材等,主要用作飛機、宇宙飛船等航天航空器的受力結構部件以及直升飛機異形空心旋翼大梁和飛機跑道等。

                           鋁合金厚板:鋁合金厚板是現代航天航空工業重要的結構材料,目前發達國家鋁工業界不斷開發出性能優異的新型鋁合金厚板,廣泛應用于飛機框架、整體壁板、起落架、蒙皮等。它們具有高強度、良好的韌性、抗應力性能和抗剝落腐蝕性能,而且斷裂韌性較好,抗疲勞裂紋擴展能力強,鋁合金厚板作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。

                           鋁鋰合金:鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發展最為迅速的一個領域。鋰是世界上最輕的元素,把金屬鋰作為合金元素加到金屬鋁中,就形成了鋁鋰合金。加入金屬鋰之后,可以降低合金的比重,增加剛度,同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性,這種新型合金受到了航空航天業的廣泛關注。據推算,如果采用先進鋁鋰合金取代傳統鋁合金制造波音飛機,重量可以減輕14.6%,燃料節省5.4%,飛機成本將下降2.1%,每架飛機每年的飛行費用將降低2.2%。因此,鋁鋰合金被認為是航空航天最理想的結構材料。20世紀80年代,在全世界范圍內掀起了鋁鋰合金研究的高潮。但由于鋁鋰合金的特殊應用背景,鋁鋰合金研究中的關鍵技術各國高度保密。

                           在我國,鋁合金已大量應用于航空、航天領域,促進了我國航空航天工業的發展。同時,我國已跨入了世界上僅美國、俄羅斯、英國等少數幾個能生產和應用鋁鋰合金這一先進新型材料的國家行列,并且,我國在鋁合金的開發應用上,科研機構與企業一同聯手,將理論研究成果應用于實際,推動了鋁合金從實驗室研究走向工業化生產并在我國航空航天領域獲得應用。

                           鋁合金,在我國的航空航天領域中起著不可替代的作用,為我國航空航天事業不斷書寫新輝煌做出了重要貢獻。


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