Какой легкий металл используют в самолетостроении
Металлы на службе самого быстрого вида транспорта.
В предыдущих статьях шла речь об эффективности и выгоде от использования алюминия в производстве транспорта, в том числе и авиационного.
А что же другие металлы?
Магний. Он нашел свое место в производстве современного самолета. Колеса и вилки шасси, передние кромки крыльев, детали сидений, корпусы приборов, различные рычаги и кожухи, двери кабин и фонари – и это далеко не весь перечень применения сплавов магния. В наши дни активно стали использовать магний для изготовки литых крыльев, литых створок люков шасси, которые легче по весу примерно на 25 % и дешевле сборных конструкций из деформируемых сплавов. Например, планер одного из американских истребителей был почти полностью изготовлен из сплавов на основе магния.
Данные литейные магниевые сплавы с редкоземельными присадками практически беспористы, и потому детали, выполненные из этих сплавов, мало подвержены растрескиванию.
Несмотря на то, что упругость магниевых сплавов меньше, чем упругость алюминиевых и железных сплавов, из-за малой плотности этот металл позволяет получать более жесткие и в то же время достаточно легкие конструкции.
В вертолетостроении магний используют для производства двигателей, в некоторых моделях доля магниевых деталей составляет по массе 23 %.
В ракетостроении наиболее популярны в применении сплавы с торием и цирконием. Они заслужили такую популярность благодаря повышенной прочности и жаропрочности. Присадка циркония позволяет улучшить пластичные свойства. В некоторых моделях такие сплавы составляли 25 % по массе.
Внедряют и специальные сплавы с цирконием, которые обладают важной способностью – гасить вибрации снарядов,
Если речь заходит о кратковременно работающих конструкциях, то и здесь при производстве вспоминают про магний, поскольку он благодаря своей высокой теплоемкости способен поглотить много тепла и не успеет перегреться за кратковременный полет.
В спутникостроении изданных сплавов выполняют корпус спутника. Корпус изготовляется из двух сферических оболочек, отштампованных из листов сплава толщиной 0,76 мм, и вся эта конструкция подпирается изнутри каркасом из магниевых труб.
Из-за того, что магний заметно возгоняется в высоком вакууме при низкой температуре, корпус покрывается сложным покрытием, одним из предназначений которого является понижение испарения металла.
Титан. Это не только легкий и тугоплавкий метал, но и довольно-таки прочный и пластичный. Вес титана на две трети больше алюминия, прочность больше в 6 раз, а тугоплавкость титана больше чем у алюминия в два с лишним раза.
Он отличается хорошими показателями стойкости. Во влажном воздухе, в морской воде его коррозионная стойкость не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз превосходит её. Он, как и нержавеющая сталь, поддается обработке резанием и давлением, а также свариванию и изготовке из него литых деталей.
Основные достоинства титана и его сплавов, такие как комбинация высокой удельной прочности и химической стойкости при нормальных и повышенных температурах (около 300-500º С) делают их незаменимыми в современном самолетостроении и производстве космических кораблей.
В 1956 г. английский летчик Петер Твисс на сверхзвуковом самолете из алюминиевых сплавов “Фейри Дельта-2” установил новый мировой рекорд по скорости полета, достигши на дистанции 15,5 км скорости 1822 км/ч.
Объем мощности двигателя самолета позволял ему развить ещё большую скорость, но пилот на это пойти не мог, так как при превышении рекордной скорости обшивка самолета из дуралюмина нагрелась бы больше чем до 100º С, и это негативно бы сказалось на прочности обшивки самолета. Поэтому, чтобы достигать таких огромных скоростей, обычную дуралюминовую обшивку меняют на титановую, так как использовать более тяжелую сталь при таких скоростях и нагревах не выгодно.
При замене алюминиевых сплавов или стали на титан в пассажирских самолетах, экономия массы деталей составляет примерно 15-40 %. Несмотря на более дорогую стоимость титана, по сравнению с вышеназванными металлами, все дополнительные затраты окупаются.
Пример пассажирских самолетов “Дуглас” показывает, что поначалу из титана изготовляли только некоторые элементы, такие как мотогондолы и противопожарные перегородки. В противопожарных перегородках использование титана эффективно, потому что электропроводность и теплопроводность этого металла в 5 раз меньше чем у стали, и в 15 раз меньше, чем у алюминия. А вот в новых моделях самолетов уже было более 1000 различных деталей из титана и его сплавов.
Использование титановых сплавов в производстве двигателей реактивных самолетов позволяет уменьшить массу на 100-150 кг. Планер тоже становится легче (на 300 и более кг).
В двигателях титан применяют для изготовления деталей воздухосборника, корпуса, лопаток и дисков компрессора, и т.д. Особенно выгодным стало применение титана в новых турбовентиляционных двигателях. В гражданской модели самолета детали из титана составляют 1/7 общей массы турбовентиляционного двигателя, в военной – 1/5 общей массы.
В ракетах из титановых сплавов изготавливают корпусы двигателей второй и третей ступеней, баллоны и шаробаллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и др. У космических капсул “Меркурий” и “Джемини” каркас, наружная и внутренняя обшивки сделаны из титановых сплавов.
Титан в виде литых деталей также активно применяется, так как позволяет сократить объем трудовой обработки резанием и уменьшает отходы дорогого металла.
Что же касается применения титана в авиационной электронике, то тут этот металл очень полезен благодаря своим газопоглощающим способностям. Он поглощает газы, оставшиеся после откачки прибора или попавшие в прибор во время эксплуатации. Титан, нанесенный на поверхность прибора, исполняет роль встроенного насоса, способного работать в течение всей жизни прибора. 500мг титана хватает, что поглощать большие объемы воздуха.
Бериллий. Для тонких профилей, где титан не подходит из-за маленькой удельной жесткости, а сплавы из стали и никеля очень тяжелы, промышленники обращаются к такому металлу, как бериллий.
Его хрупкость, токсичность металлической пыли и пыли из окислов, редкость и дороговизна – препятствия, которые откладывали применение бериллия в самолетостроении и ракетостроении.
Но после многочисленных исследований, открывших возможности улучшения необходимых свойств этого металла, бериллий все-таки взяли на вооружение производители. Сейчас из него изготовляют стержни, трубы и листы для ракетного, авиационного и атомного производства.
Корпуса жидкостнореактивных двигателей из бериллия не только в два раза легче, но и служат в 10 раз дольше ввиду высокой теплопроводности этого материала. Бериллий стал находкой для изготовителей колесных тормозов из-за своей легкости и высокой теплопроводности. Тормоза из бериллия дают экономию массы больше 30%, масса самолета снизилась более чем на 600 кг.
То же самое и с крепежными деталями, меньший вес которых не мешает им переносить нагрузки такие же, как у крепежных деталей из стали. Меньшие центробежные напряжения дисков компрессоров по сравнению с дисками из других металлов – ещё одна заслуга бериллия. Тратится меньше энергии без изменения скорости вращения.
Для защиты сплавов из бериллия от коррозии внедряют методы анодирования. Это позволяет заметно повысить стойкость против окисления при повышенных температурах (жаростойкость).
Также нельзя не отметить, что бериллий благодаря своим свойствам хорошо поглощает тепло, и является гиперпроводником, хорошо проводя электрический ток при низких температурных условиях.
Александр Рыбаков
Источники использованные при написании статьи:
Из какого материала делают самолеты
Конструкционные материалы, из которых изготавливают самолеты, прошли стремительную эволюцию вместе с развитием самой авиации. От полотняных аэропланов в начале прошлого века до современных стальных птиц. За 100 лет существования авиации, материалы, из которых изготавливают авиалайнеры, существенно изменились.
Немного истории
Самые первые самолеты (братьев Райт, США – 1903 г.; «Вуазен», Франция – 1905г; «Блерио», Франция – 1906 г.; «Рой», Англия – 1908 г.) изготавливались из тонких стальных труб, обтянутых материей, или имели деревянную конструкцию и полотняную обшивку поверхностей. Следующим шагом совершенствования конструкций самолета следует считать замену тканей на обшивку фанерой. Для повышения прочности фанерных конструкций, их стали делать в несколько слоев, скрепленных клеем.
Однако, деревянные конструкции были довольно неуклюжими, имели большое сопротивление во время полета. С увеличением скоростей самолетов, повышением нагрева конструкций и элементов двигателей, их использование стало небезопасным. Конструкторы стали постепенно заменять деревянные детали на металлические. Но полностью металлические самолеты появились не сразу.
Несовершенная технология производства металла на первых этапах его применения в авиации, делала конструкции из него, тяжелее деревянных, поэтому переход на металл происходил не быстро. Первые пробные аэропланы целиком из металла были изготовлены немцами в начале второго десятилетия прошлого века. По весу они превышали деревянные конструкции в несколько раз, и их летные данные оставляли желать лучшего.
Большинство аэропланов, использовавшихся в Первой мировой войне (1914—1918 гг.), были деревянными с тканевой обшивкой.
После войны основной причиной развития металлических самолетов послужило появление пассажирской авиации, потребовавшей производства большого количества самолетов с длительными сроками эксплуатации. Деревянные конструкции набухали под действием неблагоприятных атмосферных явлений (влаги, температуры). При определенных условиях они начинали подгнивать. Все это приводило к их быстрому выходу из строя, и не удовлетворяло требованиям гражданской авиации.
Ученые многих стран трудились над совершенствованием металлических материалов для авиастроения и технологии их изготовления. В СССР, одним из основоположников металлического самолетостроения стал знаменитый авиаконструктор Андрей Николаевич Туполев.
В 30-е годы прошлого столетия металл почти полностью вытеснил дерево в конструкции самолетов. Однако деревянные конструкции еще некоторое время применялись в отдельных случаях. В частности, в конструкциях советских истребителей Лагг-3, И-16, Як-1 и других, участвовавших в Великой Отечественной войне, использовались деревянные элементы. Это было сделано из соображений экономии, так как деревянные конструкции в изготовлении обходились дешевле металлических.
С появлением реактивной авиации в 50-х годах прошлого века, деревянные конструкции самолетов перестали использоваться.
Нагрузки, воздействующие на самолет
Чтобы понять, из чего делают самолеты, необходимо рассмотреть их отдельные конструктивные составляющие и выяснить, какие нагрузки приходятся на каждую из них. К основным частям конструкции самолета относятся:
Каждая из этих частей самолета имеет свое функциональное назначение. Фюзеляж самолета объединяет все элементы конструкции в единое целое. Крыло создает подъемную силу. Двигатели создают необходимую для полета тягу. Хвостовое оперение обеспечивает аэроплану горизонтальную и вертикальную управляемость. Шасси необходимы для совершения взлета и посадки.
В процессе полета и на земле все эти составные части самолета испытывают разнообразные, характерные только для них нагрузки.
Все нагрузки, которые приходится выдерживать самолету подразделяются :
Для современных реактивных самолетов важна также и звуковая нагрузка, которая возникает при работе двигателя.
Потому как прилагаются эти нагрузки их можно подразделить на те, что влияют сразу на многие части самолета, и на те, что сосредоточены в определенном месте. Кроме того, есть нагрузки, которые действуют постоянно, с определенной динамикой или частотой.
Исходя из учета влияния указанных нагрузок на конкретные составные части самолета, выбираются материалы, из которых они изготавливаются. Однако, есть одно свойство, которое применимо ко всем без исключения материалам, это их максимально легкий вес при прочих равных достоинствах.
Материалы, из которых делают самолет
К основным материалам, из которых делаются самолеты, относятся различные металлы, их сплавы и композиционные материалы. Рассмотрим подробнее принципы работы с этими материалами.
Алюминий
Большая часть конструкции самолета изготавливается из алюминия и его сплавов. Он идеально для этого подходит, прежде всего, из-за своего небольшого веса, а также из-за широких возможностей менять свои свойства в сочетании с различными добавками.
Так, для изготовления планеров, подвергающимся небольшим аэродинамическим нагревам, используется дуралюмин, представляющий собой высокопрочный алюминиевый сплав с примесью меди, марганца и магния. Для температурно нагружаемых оболочек планера и силовых элементов скелета самолета используются сплавы алюминия повышенной жаропрочности, с добавлением магния. Такие сплавы также используются для изготовления отдельных элементов конструкции двигателя, работающих в умеренном тепловом режиме (лопатки, крыльчатки, диски компрессора первого контура).
Алюминиевые сплавы с добавлением кремния применяют для литья сложных по форме деталей, с небольшой нагруженностью. Эти сплавы обладают хорошей текучестью и заполняемостью в нагретом состоянии. Из них изготавливают: кронштейны, рычаги, фланцы. Их также используют для изготовления некоторых деталей двигателя: корпуса компрессоров, картеры, различные патрубки и др.
В общей сложности на алюминиевые конструкции самолета приходится до 80% от его общей массы.
Титан
Титан и титановые сплавы представляет особый интерес в авиастроении, в первую очередь, из-за своих возможностей выдерживать высокие температуры.
Из титана изготавливаются корпуса сверхзвуковых самолетов, передние края крыльев и стабилизаторов. Титановые сплавы широко применяются в конструкциях шасси, узлах крепления закрылков, в силовых элементах. В реактивных двигателях из титана изготавливаются детали, подвергающиеся высокотемпературным нагрузкам: лопатки компрессоров и диски компрессоров второго контура, кожухи камер сгорания, сопла реактивных двигателей.
Сталь
Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Она довольно широко используется при изготовлении самолетов. В авиации в основном применяется конструкционная сталь с содержанием от 0,05 до 0,55% углерода. Из стали изготавливают отдельные элементы силового набора конструкции, детали шасси, болты, заклепки. Жаропрочная сталь идет на изготовление обшивок самолетов, развивающих большие скорости.
Композиционные материалы
Широкое применение при производстве самолетов нашли композиционные материалы (композиты), представляющие собой основу и распределенные в ней армирующие материалы. В качестве армирующих материалов используются органические волокна, а в качестве основы — различные металлические сплавы.
Детали, изготовленные из композитов, обладают небольшим весом, могут выдерживать высокие температуры. Их используют для изготовления обшивок крыла, оперения, створок шасси, радиопрозрачных обтекателей и др.
При рассмотрении материалов, из которых делаются самолеты нельзя забывать и о таких важных материалах, как резина и пластмассы. Резина применяется при изготовлении колес шасси, трубопроводов, шлангов, прокладок, уплотнителей, амортизаторов. Различные по своим свойствам пластмассы применяются для изготовления силовых элементов конструкции самолета, остекления кабины пилота, декоративной отделки пассажирского салона, в качестве электро- и теплоизоляции. Химически стойкие пластмассы используются для изготовления топливных баков.
Пожалуй, мы рассмотрели все основные наиболее используемые для производства самолетов материалы. То, из какого металла делают самолеты, во многом отражается и на их летных возможностях. Так, легкие алюминиевые сплавы используются для производства планеров дозвуковых самолетов, титан и сталь – для достижения сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей.
Для всех авиационных материалов важной характеристикой является их технологичность, то есть способность их изготовления серийно, а не только в одном экземпляре. Самолеты производятся большими партиями, все их детали изготавливаются многократно. В ходе повторяющегося процесса изготовления они не должны терять своих основных свойств.
Для этого разрабатываются специальные технологические процессы, которые представляют собой последовательные изменения свойств материала на различных этапах его производства, вплоть до его получения с заданными свойствами. Все основные технологические процессы по изготовлению материалов для самолетов стандартизированы, что гарантирует их производство с одинаковыми свойствами. Изготовление авиационных материалов, основных конструктивных частей самолета и его окончательная сборка производятся на авиастроительных заводах.
Основные авиазаводы России
Чтобы увидеть, где в России делают самолеты, нужно открыть карту. География расположения авиазаводов на территории России представлена весьма разнообразно, от западных границ до Дальнего Востока.
Резюме
Широта представленных авиазаводов по территории России, а также номенклатура изготавливаемой техники, говорит о развитом авиастроительном производстве России. Основы его были заложены знаменитыми учеными, конструкторами и инженерами прошлого века. В наше время новое поколение разработчиков авиационной техники успешно продолжает начатое ими дело. Иллюстрацией этому служат новые российские разработки самолетов и вертолетов, признанные во всем мире.
Металлы в самолетостроении: сталь, алюминий, композиты
Все эти годы при выборе материалов для воздушных суден конструкторы и авиастроители принимали во внимание сочетание множества факторов, начиная от требований к функциональным характеристикам самолета, заканчивая минимизацией затрат на производство и дальнейшее обслуживание. Но основным «двигателем прогресса» оказалось стремление разработчиков уменьшить массу надежных металлических аппаратов.
Именно снижение значений этого параметра обеспечивает необходимый уровень безопасности пилотов, пассажиров, грузов и самого самолета, его производительность, оптимальное использование топлива и дальность полета. Пока современная конструкторская мысль «остановилась» на расширении использования композитов в авиастроении. Эти материалы дают идеальное соотношение между весом самолетов и устойчивостью к усталости и коррозии и позволяют снизить затраты на техобслуживание.
Самолеты из стали
Как заставить металл летать? Пионеры авиастроения горячо обсуждали этот вопрос с момента, когда в 1903 г. самолет братьев Райт впервые поднялся в воздух. Он был очень легким – из дерева, ткани и небольшого количества стальной проволоки. Поэтому авиаконструкторам начала XX века идея оторвать от земли надежный, но тяжелый металлический аппарат казалась нереализуемой – ни с точки зрения финансов, ни технически. Казалась всем, кроме одного. Немецкий инженер Хуго Юнкерс, наверное, сумел заглянуть в будущее. Он осознал, что в скором времени самолеты захотят эксплуатировать не только военные или спортсмены, впереди – послевоенные времена массовых гражданских и грузовых авиаперевозок. Новые области применения требовали совершенно иных материалов для изготовления самолетов.
Самолет оторвался от полосы, взлетел, развернулся, зашел на посадку и благополучно приземлился. J1 так и остался экспериментальным – вояки «придрались» к скорости подъема, маневренности и полезной нагрузке. Эти показатели для их задач были недостаточными. По сути, авиационная сталь, действительно, оказалась слишком тяжелым металлом для самолетов. Моноплан Юнкерса летал с трудом и при взлетном весе более одной тонны мог взять на борт груз весом всего 110 кг. Но, тем не менее, революционный прорыв Юнкерса поставил авиастроение на путь материальной эволюции, которая продолжается и по сей день.
Что касается советского авиастроения, то в СССР была выпущена довольно большая серия самолетов «Сталь», которые использовались как транспортные и почтовые. В целом, советские конструкторы и авиаторы столкнулись с теми же проблемами, что и немцы. Другое дело, что в 20-30 г.г. прошлого века, когда в мире уже начали массовый выпуск самолетов из алюминия (о нем немного ниже), в СССР были проблемы с производством собственного сырья. Поэтому, во избежание излишней импортозависимости, Советы выпускали самолеты из авиационной стали сравнительно долго, вплоть до середины 30-х г.г.
А нынешние самолетостроители ценят сталь за ее прочность, твердость и устойчивость к высоким температурам. Подобные свойства делают этот металл идеальным материалом для изготовления шасси, обшивки некоторых самолетов, петель, кабелей, крепежей и других деталей. Обычно сталь составляет 11-13% от всех материалов, которые используются при производстве современных самолетов.
Самолеты из алюминия
Но вернемся к Хуго Юнкерсу. Дабы удовлетворить запросы военного министерства, немецкий авиаконструктор обратил пристальное внимание на алюминий, легкий и прочный материал. В течение последующих лет на Junkers & Co. из него создали целую линейку военных самолетов. Это были штурмовики и истребители, отлично зарекомендовавшие себя во время военных кампаний Второй мировой, к несчастью СССР и союзников. Лавровый венок в гражданской авиации достался легендарномуF13. Этот первый в мире алюминиевый пассажирский самолет был выпущен в серийное производство в 1919 г. и долго эксплуатировался по всему миру.
Сам же алюминий и его сплавы до сих пор являются очень популярным сырьем для производства коммерческих самолетов благодаря своей высокой прочности при сравнительно низкой плотности. Сейчас в самолетостроении используется преимущественно высокопрочный сплав 7075, содержащий в т.ч. медь, магний и цинк. При этом алюминиевые детали составляют до 80% от массы самолета. Кстати, из-за высоких антикоррозийных свойств детали из алюминия вполне могут быть неокрашенными. Правда, при высоких температурах алюминий теряет в прочности, поэтому при производстве обшивки его в чистом виде не используют.
Самолеты из композиционных материалов
А в авиастроении, тем временем, началась эра создания и применения искусственно созданных композиционных материалов, свидетелем которой являемся сейчас и мы с вами. В качестве основы композиции используются волокна стали, стекла, графита, нитевидные кристаллы окиси алюминия, железа и т.д. Матрица же материала выполняется либо из сплавов металлов (того же алюминия, титана, магния) либо из синтетических смол, например, эпоксидной или полиэфирной. После соединения основы и матрицы путем прессования, литья или другими способами композитный материал получает не только свойства составляющих его элементов, но и совершенно новые характеристики, которые и подкупают авиаконструкторов.
Скажем, масса деталей из композитов составляет примерно пятую часть от массы точно таких же деталей, сделанных из алюминия. При этом композиты превосходят последний по эксплуатационным характеристикам – они прочнее и гибче. К тому же со временные композиционные материалы нетоксичны, а изделия из них не требуют какого-либо дополнительного ухода.
В авиастроении композиты применяются очень широко – при производстве высоконагруженных деталей и двигателей. Если посмотреть на долю использования композиционных материалов, скажем, в Боингах, то в самых ранних моделях их порядка 5%. Сейчас доля композитов в общей массе самолетов компании может доходить до 50%. Кроме того, в компании смело экспериментируют с металлами, создавая новые композиции с уникальными свойствами. К примеру, microlattice из никеля и фосфора, занесенный в Книгу рекордов Гиннеса как самый легкий металл в мире – он весит в 100 раз меньше, чем пенопласт. Предполагается, что в дальнейшем из microlattice можно будет сделать и искусственное легкое, и крыло самолета.
Результаты подобных экспериментов, на первый взгляд, кажутся экзотичными. Тем не менее, у них есть вполне практический смысл. Дело в том, что материалы, используемые в авиастроении, должны, с одной стороны, обладать довольно обширным набором свойств и характеристик. С другой стороны, их цена не должна быть заоблачной. Как мы видим, природного сырья, которое отвечало бы этим требованиям, не так и много. Поэтому поиск новых композитов продолжается, а старые добрые сталь и алюминий продолжают покорять небеса, каким бы невероятным это не казалось всего каких-то сто лет назад.
