多国纷登月球火星 航天铝材喜迎新需

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2021年03月31日 10:51:33
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中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度、阿联酋等国都已向月球、火星发射过或准备向它们发射探测器,为航天铝材提供了新的需求阵地,高端铝材及铝基复合材料在航天器装备及发射火箭系统制造中占有极为重要的地位

  2月13日,俄罗斯公布了与我国携手打造月球科研站计划。日前,双方正在研究项目技术落实事宜。美国也在运作类似的课题,进展很快,不久美国月球基地即会亮相。2021年是人类征服火星圆梦之年,自从人类太空探索开始以来,火星一直是访问量最大的行星之一,美国的“水手四号”宇宙飞船早在1964年就发回了第一批火星表面照片。2021年2月初以来,3个国家(阿联酋、中国、美国)的探测器欲登陆火星,阿联酋的“希望号”探测器已于2月19日进入环火星轨道,创造了历史;就在第2天,中国的“天问一号”探测器紧随其后进行了相同的操作,将于5月份着陆火星。

  中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度、阿联酋等国都已向月球、火星发射过或准备向它们发射探测器,为航天铝材提供了新的需求阵地,高端铝材及铝基复合材料在航天器装备及发射火箭系统制造中占有极为重要的地位,是一类不可或缺的材料。目前,我国有多家企业都能批量制备各种航天铝材,在火箭用材的净质量中,铝材占94%以上,在航天器结构用材的净质量中,铝材及铝基复合材料也占到约75%。

  铝材:航天器发射火箭

  和结构零部件的顶梁柱

  航天铝材大体可为两部分:一是发射火箭用,二是航天器本身零部件结构用。从航天事业一开始,铝材及铝基复合材料就与航天工业结下了不解之缘,不仅获得了广泛的应用,更是不可或缺的关键材料,虽不能说,没有铝就没有今天这样兴旺发达的航天事业,但可以毫不夸张地说,没有铝合金,像今天这样惊天动地的航天事业至少要延后二三十年。

  在航天器与火箭上用的铝合金主要有7078型、2024型、Al-Li合金等;火箭发射用的液氢槽、液氧槽、控制装置、加固-连接环等均是用这类合金材料打造的。

  长五奔太空 铝材建殊功

  2016年11月3日20时43分,中国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国海南省文昌航天发射场轰然发射升天,约30分钟后进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务圆满成功。这一声划破长空的惊天巨响震惊了整个地球,标志着中国跨过了航天强国门槛,进入了世界航天强国俱乐部。

  长征五号火箭是个货真价实的大块头,是个名副其实的“胖五”,起飞质量约870吨,配12颗“大心脏”——发动机,起飞推力约10.56MN(1078吨力);低轨道(近轨道)运载能力25吨,高(地球同步转移)轨道运载能力14吨级,越过了国际上大型运载火箭近地轨道运载能力20吨,高轨道10吨的“鸿沟”,可与美国的宇宙神5、德尔塔4、欧洲的阿里安等世界主力大型火箭比翼齐飞,完成了脱胎换骨的升级换代。

  长征五号火箭的起飞质量870吨,其中液氢(-253℃)与液氧(-183℃)的质量占90%,即这两种燃料的质量达783吨。据报道,长征五号火箭的研制历时10载,突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术,其中有多项是关于铝合金材料的。在关键技术中,新技术比例几乎占100%,核心技术全部拥有自主知识产权,实现了长征火箭的升级换代,使中国一跃进入航天强国行列,也为中国成为铝加工强国迈出了坚实的一大步。

  长征五号火箭各大部件是用什么材料制造的未见媒体报道,但是可以肯定的是,在结构材料中铝合金是主流,因为芯级火箭巨大的液氢液氧贮箱,4个助推器的液氧、煤油贮箱都应是用铝合金制的,只有铝合金才能在这种极为严峻的条件下工作:一是铝材的密度小、质轻,为钢密度的30%左右;低温性能极佳,没有低温脆性,铝合金的强度与延展性均随着温度的降低而同步上升,成为一类绝好的低温结构材料,是很难替代的航空航天材料;可加工与可成形性能好,可焊接性能好,尤其是摩擦搅拌焊(FSW)性能,美国大型火箭低温燃料铝合金贮箱就是摩擦搅拌焊的。

  长征五号大型火箭的液氢与液氧贮箱是用什么铝合金焊接的,虽未见媒体报道,但国外发射大型火箭用的液氢、液氧贮箱无论是美国,还是日本和欧洲的,都是用2219合金焊接的,所以笔者认为,长征五号低温燃料与助燃液氧贮箱也应是用2219型铝合金厚板(>6mm~≤10mm)焊的,板材应是中国铝业集团所属工厂生产的,它们有生产航空铝材60年的技术与经验,并通过了航空航天部门的认证。此外,2015年,无锡市某公司锻造的航天配套环件即是用的2219合金,其外径达8.7米、内径为8.32米。

  Al﹣Li系合金

  美国除用2219合金制造的低温燃料箱与航天器结构外,还用2050铝-锂合金打造这类设备(见图)。用2050合金厚板制造的航天构件有货舱头(bulkhead)、锥体(cone)、筒体(barrel),用的都是厚板。

  7050合金及2050合金厚板的拉伸性能,原文用的英制。未予换算,以免失真。表中的1bs/in3=磅/in3,Msi=百万磅/英寸2,Gage=厚度,ksi=千磅/英寸2,%Tot=%总计,UTSL=纵向抗拉强度,UTSLT=长横向抗拉强度,UTSST=短横向抗拉强度;YS=屈服强度,el=伸长率。

  Weldalite  AI-Li合金家族发展简史,该系合金是肯联铝业在法国的轧制厂与在加拿大的研究中心研发的,历时7~10年,原来主要是为A380飞机开发的,它们共有5类合金:2195、2196、2098、2198、2050,但2050合金是美国铝业公司研发的,它们各自的特点分别为:

  2195合金:Al-4.0 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,是第一个获得成功商业应用的AI-Li合金,用于制造航天器低温燃料槽;

  2196合金:Al-2.8 Cu-1.6 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,密度低,强度高,断裂韧性高,原是为哈勃望远镜(Hubble)太阳能板边框开发的,商业飞机挤压材;

  2098合金:Al-3.5 cu-1.1 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,原是为HSCT机身研发,以及用于制造F16战机的耐疲劳抗力机身和制造空间结构件。

  2198合金:AI-3.2 Cu-0.9 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,用于制造商业飞行器。

  2050合金:AI-3.5 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.4 Mn-0.1 Zr,用于加工厚板,以取代7050-T7451型制造商业飞行器和登陆车。2050合金的Cu+Mn含量比2195合金的低,以降低淬火敏感性,而仍有相等的力学性能。


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