鋁鋰合金打造衛(wèi)星資源艙天宮一號(hào)減重10%
2011年10月20日 11:15 6208次瀏覽 來源: 中國有色金屬報(bào) 分類: 鋁資訊 作者: 王祝堂
2011年9月29日21時(shí)25分,中國自主研制的載人飛行器——“天宮一號(hào)”順利地進(jìn)入預(yù)定軌道,發(fā)射圓滿成功。“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器總長10.4m,重約8.5t,艙體結(jié)構(gòu)最大直徑3.35m。它的運(yùn)行高度約370km,在軌道上的運(yùn)行時(shí)間為2年,可以與載人飛船進(jìn)行幾次對接。“天宮一號(hào)”為兩艙結(jié)構(gòu),一個(gè)是試驗(yàn)艙,另一個(gè)為資源艙。前者為密封的,是航天員駐留生活和工作的地方,分為密封段和非密封段。密封段是航天員活動(dòng)區(qū),而所有的科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備都裝于非密封段。
“天宮一號(hào)”這個(gè)中國的第一個(gè)低軌道、長壽命大型載人航天器的設(shè)計(jì)壽命為2年。在資源艙也就是“天宮一號(hào)”的后艙內(nèi)裝有動(dòng)力系統(tǒng)(含超強(qiáng)電力的大型太陽能電池板)推進(jìn)系統(tǒng)和能源。它的主要任務(wù)是為“天宮一號(hào)”的飛行提供能源保障,并控制飛行姿態(tài)。資源艙加足燃料后的重量約1.4t。
“天宮一號(hào)”電源分系統(tǒng)的全部設(shè)備(太陽能電池翼)都在資源艙內(nèi),再加上艙內(nèi)儲(chǔ)備的燃料都為飛行器提供運(yùn)行能量。艙內(nèi)還有一個(gè)極為關(guān)鍵的零件——控制力矩陀螺,用來控制“天宮一號(hào)”的飛行姿態(tài),重約50kg,是用有色金屬材料制作的。
資源艙減重10%以上,鋁-鋰合金功不可滅
“天宮一號(hào)”將在軌運(yùn)行兩年,資源艙內(nèi)不但有太陽能電池、動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng),以及控制力矩陀螺,還必須加裝足夠的燃料。因此,必須減輕艙段結(jié)構(gòu)部分重量。由于常規(guī)的高強(qiáng)度2XXX系合金及超高強(qiáng)度7XXX系合金密度較高,所以設(shè)計(jì)人員想用各項(xiàng)性能與常規(guī)結(jié)構(gòu)鋁合金相當(dāng),而密度又比它們的小一些的航天鋁合金——鋁-鋰合金,它的一個(gè)重要特點(diǎn)是其密度低與彈性模量高。在鋁合金中,鋰與鈹是降低其密度最有效的合金元素,鋰在鋁中的最大溶解度為4.2%,向鋁中每添加1%鋰,可使其密度下降約3%,而其彈性模量則上升約5%。
當(dāng)前世界上可以生產(chǎn)鋁-鋰合金的國家與企業(yè)是:中國的西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,美國的美國鋁業(yè)公司(Alcoa)的達(dá)文波特廠(Davenport Works)、力拓加鋁集團(tuán)(Rito Alcan)的雷文斯伍德(Ravenswood)鋁業(yè)公司及法國的伊蘇爾鋁業(yè)公司(Issoire),英國的加拿大鋁業(yè)公司(British Alcan),俄國聯(lián)合鋁業(yè)公司的卡緬斯克(Kamensk)鋁加工廠。中國于上世紀(jì)60年代初研制成鋁-銅-鋰系合金S141,90年代中期西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司從俄羅斯引進(jìn)鋁-鋰合金真空熔煉爐及鑄造設(shè)備,從此中國可批量生產(chǎn)鋁-鋰合金板材、型材與鍛件等。
鋰是一個(gè)化學(xué)活性很大的金屬元素,因此鋁-鋰合金必須在真空爐內(nèi)熔煉,熔體也必須在有保護(hù)氣體條件下鑄造,熔鑄是生產(chǎn)鋁-鋰合金最為關(guān)鍵的技術(shù)。
中國大飛機(jī)C919型客機(jī)機(jī)身等直段部段也是用鋁-鋰合金制造的,由中航工業(yè)洪都公司制造,已于2010年12月上旬順利下線,所有的鋁-鋰合金板材由美國鋁業(yè)公司提供,來自達(dá)文波特廠。等直段位于大客機(jī)機(jī)身前部,是寬度相等的簡狀結(jié)構(gòu)部段,全長7.45m、寬4.2m、高4.2m。是中國國內(nèi)民用飛機(jī)上首次采用鋁-鋰合金制造的部段。
美國航空航天局(NASA)也曾于2008年選定美國鋁業(yè)公司為其戰(zhàn)神一號(hào)載人運(yùn)載火箭生產(chǎn)鋁-鋰合金板材,其中僅薄板訂貨量就達(dá)453.6t,全部用2195鋁-鋰合金(質(zhì)量%:0.12Si,0.15Fe,3.7~4.3Cu,0.25Mn,0.25-0.8Mg,0.25In,0.10Ti,0.25-0.6Ag,0.8-1.2Li,0.08-0.16Zr,其他雜質(zhì)每個(gè)0.05,總計(jì)0.15,其余為Al)軌制。該合金于1992年定型并在美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司(AA)注冊,是美國鋁業(yè)公司研發(fā)的。由美國鋁業(yè)公司匹茲堡技術(shù)中心生產(chǎn)鑄錠,達(dá)文波特廠軋制薄板。
航空航天鋁材明星——老而先進(jìn)的鋁-鋰合金家族
鋁-鋰合金是一種既老而又先進(jìn)的高精航空航天材料,全世界只有5個(gè)國家的7個(gè)廠可以生產(chǎn)板材,11個(gè)可以生產(chǎn)擠壓型材,9個(gè)廠可以生產(chǎn)鍛件,生產(chǎn)合金材料的關(guān)鍵是溶煉鑄造,所以熔煉鑄造企業(yè)數(shù)就決定了這種高門檻合金材料的廠數(shù),至于在擠壓與鑄造方面鋁-鋰合金并沒有特別的工藝,大多數(shù)可生產(chǎn)熱處理強(qiáng)化鋁合金材料的企業(yè)都可以生產(chǎn)。
說鋁-鋰合金是一個(gè)老的合金是因?yàn)樵谏鲜兰o(jì)20年代初德國便研制成含鋰的鋁合金,其商品名稱為“Scleron”,典型成分(質(zhì)量%):12Zn,3Cu,0.1Li。1942年美國鋁業(yè)公司的Lebron申請了X2020合金(Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.5Cd)的專利。1957年此合金板材在美國海軍的A3j偵察機(jī)上得到應(yīng)用,60年代初在超音速轟炸機(jī)B-58和殲擊機(jī)F-111上也得到少量應(yīng)用。但由于其斷裂韌性低,以及對缺口的敏感性遠(yuǎn)比7075合金的大,所以此合金的應(yīng)用未得到推廣。后來原蘇聯(lián)研制成01420及BA 23鋁鋰合金。1971年英國富爾默(Fulmer)研究制制成了新的鋁-鎂-鋰-鋯合金,特別是1973年的石油危機(jī)以后,再次興起了研究鋁-鋰合金熱潮,在解決合金的低韌性與晶界脆性方面取得了突破性的成就,于是從上世紀(jì)80年代以來,各國的一些企業(yè)先后推出一批高性能的鋁-鋰合金,它們具有良好的綜合性能,在現(xiàn)行與未來的航空航在器中獲得廣泛的應(yīng)用。
責(zé)任編輯:四筆
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