کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در هوافضا

استفاده از تیتانیوم در صنعت هوافضا همچنین به هدف کاهش وزن پرتاب، افزایش برد و صرفه جویی در هزینه ها دست یافته است و یک ماده محبوب در صنعت هوافضا است. در صنایع موشکی، موشکی و هوافضا، می توان از آن به عنوان مخازن تحت فشار، مخازن سوخت، پوسته موتور موشک، آستین نازل موشک، پوسته ماهواره های مصنوعی، کابین فضاپیماهای سرنشین دار (اسکلت پوستی و ساختاری)، ارابه فرود، ماژول قمری، سیستم رانش، استفاده کرد. و غیره.

آلیاژ Ti-6Al-4V به طور گسترده به عنوان ماده پوسته موتور موشک مرحله اول در ایالات متحده استفاده می شود. سایر آلیاژهایی که از این آلیاژ استفاده می کنند عبارتند از: ظروف موشک مایع استوانه ای غول پیکر; موشک‌های بالستیک قاره‌پیما، موشک‌های «Minuteman» و سایر پوسته‌های موتور کروی و بیضوی و غیره. {6}}.5 آلیاژهای SnELI محتوای اکسیژن کمی دارند و در دماهای بسیار پایین قابل استفاده هستند، این آلیاژها به عنوان ظروف هیدروژن مایع موشک و موشک، کابین مهر و موم شده فضاپیمای "مرکوری" و فضاپیمای "جمینی" و بخش های ساختاری اصلی فضاپیمای "آپولو" که با موفقیت بر روی ماه فرود آمد.

علاوه بر تیتانیوم خالص صنعتی، Ti-6Al-4V، Ti-5Al-2.5Sn، Ti-6Al-4VELI و Ti-5Al-2.5SnELI، تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم مورد استفاده در صنعت هوافضا نیز شامل Ti{10}}Al-4Mo، Ti{12}}Al{13 هستند. }}.5V، Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al و Ti/B-Al مواد کامپوزیت شاتل فضایی اولین فضاپیمای سرنشین دار جهان است که می تواند دوباره مورد استفاده قرار گیرد. این فضاپیما در سال 1972 شروع به توسعه کرد و اولین پرواز در سال 1981 با موفقیت انجام شد. این فضاپیما از یک هواپیمای بال کوچک، یک محفظه سوخت خارجی به طول 47 متر و دو تقویت کننده موشک سوخت جامد به وزن 500 تن تشکیل شده است. این فضاپیمای مداری 37 متر طول و حدود 68 تن وزن دارد. این اندازه تقریباً همان DC حمل و نقل جت است{32}}. این بزرگترین فضاپیمای سرنشین دار تا به امروز است. طول محموله آن 18 متر و قطر آن 5 متر است و می تواند 29.5 تن محموله را به مدار زمین منتقل کند.

شاتل فضایی می تواند مانند یک موشک پرتاب شود و مانند یک فضاپیما در مداری با حداکثر ارتفاع 1000 کیلومتری پرواز کند. در غیاب رانش، می تواند مانند یک هواپیما سر بخورد و فرود بیاید. این شاتل فضایی در اصل یک کشتی فضایی است، بنابراین یکی از پارامترهای قضاوت درباره مفید بودن آن، بار موثر برای حمل و نقل بین زمین و مدار زمین است. به منظور به حداکثر رساندن این بار موثر، آلیاژ تیتانیوم به یک ماده مهم برای اجزای موتور هوافضا تبدیل شده است.

عمر طراحی فضاپیمای مداری 100 پرواز است و هر پرواز بین 7 تا 30 روز در کیهان باقی می ماند. فضاپیما دارای سرنشین است، بنابراین به گونه ای طراحی شده است که با محیط فضا (خلاء، اختلاف دمای شدید در مدار، تولید گرما هنگام بازگشت به اتمسفر و غیره) سازگار شود و به طور مکرر مورد استفاده قرار گیرد.

1. مخازن فشار قوی
آلیاژهای تیتانیوم در بسیاری از مکان‌ها استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند وزن کلی فضاپیماهای در حال گردش را کاهش دهند. کاربرد اصلی تیتانیوم در مخازن فشار قوی برای سوخت و گاز لازم است. ظروف سبک وزن آلیاژ تیتانیوم با موفقیت در برنامه های فضاپیمای Gemini و Apollo ناسا با استفاده از آلیاژ Ti-6Al-4 توسعه یافتند. مخازن تحت فشار آهنی در فضاپیمای آپولو در واقع از طراحی بی سابقه ای با ضریب ایمنی 1.5 استفاده کرده اند که قبلاً با ضریب ایمنی حدود 4 طراحی شده بود. روشی برای افزودن فیبر کوئرستین سفید (الیاف ارگانیک معطر تولید شده توسط DuPont در ایالات متحده) به سطح ظرف تیتانیوم دیواره نازک اتخاذ شده است. مخازن تحت فشار برای ذخیره سازی گاز فشرده. ماهواره و تقویت کننده "Ranger" 14 ظروف تیتانیومی مشترک داشتند که وزن کل را 272 کیلوگرم کاهش داد. مخازن تحت فشار برای ذخیره سازی پیشرانه های مایع. حدود 50 مخزن تحت فشار در فضاپیمای "آپولو" استفاده شد که 85 درصد آنها از تیتانیوم ساخته شده بودند. موتور مرحله انتقالی Hercules III پس از تغییر به مخزن سوخت آلیاژ تیتانیوم 35 درصد کاهش یافت.

2. بدنه موتور
بدنه موتور موشک سوخت جامد. موتور موشک مرحله دوم موشک قاره پیمای Minuteman از آلیاژ Ti64 برای کاهش وزن 30٪ تا 40٪ استفاده می کند. بدنه موتور موشک سوخت مایع. پوسته فشار محفظه احتراق موتور فرود ماژول قمری «آپولو» از آلیاژ Ti64 ساخته شده است.

3. قطعات ساختاری مختلف
آلیاژهای تیتانیوم نیز به طور گسترده در بخش های مختلف ساختاری استفاده می شوند. کابین فشار فضاپیمای مرکوری عمدتاً از تیتانیوم ساخته شده است که 80 درصد وزن کابین را تشکیل می دهد. 7 درجه از آلیاژهای تیتانیوم در فضاپیمای "جمینی" استفاده می شود که از 570 کیلوگرم قطعات تیتانیوم استفاده می شود که 84 درصد وزن ساختاری را تشکیل می دهد. براکت‌ها، بست‌ها و بست‌های فضاپیمای «آپولو» همگی از تیتانیوم ساخته شده‌اند که در مجموع از 68 تن تیتانیوم استفاده می‌کنند.

4. لوله کشی هیدرولیک
لوله کشی هیدرولیک شاتل فضایی از لوله های بدون درز ساخته شده از آلیاژ Ti-3Al-2.5V استفاده می کند. به دلیل استفاده از این آلیاژ می توان بیش از 40 درصد وزن را کاهش داد. به منظور کاهش حساسیت به شکستگی ناشی از خستگی و افزایش عمر واقعی سیستم، مونتاژ لوله های مختلف از شکل دهی خودکار استفاده می کند.