Anwendung von Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt
Die Anwendung von Titan in der Luft- und Raumfahrtindustrie hat auch den Zweck erreicht, das Startgewicht zu reduzieren, die Reichweite zu erhöhen und Kosten zu sparen, und ist ein beliebtes Material in der Luft- und Raumfahrtindustrie. In der Raketen-, Flugkörper- und Raumfahrtindustrie kann es als Druckbehälter, Kraftstofftanks, Raketentriebwerkshüllen, Raketendüsenhülsen, künstliche Satellitenhüllen, bemannte Raumfahrzeugkabinen (Außenhaut und Strukturskelett), Fahrwerk, Mondlandemodul, Antriebssystem usw. verwendet werden.
Die Legierung Ti-6Al-4V wird in den USA häufig als Gehäusematerial für Raketentriebwerke der ersten Stufe verwendet. Weitere Legierungen, die diese Legierung verwenden, sind: riesige zylindrische Flüssigkeitsraketenbehälter, Interkontinentalraketen, „Minuteman“-Raketen und andere sphärische und elliptische Triebwerksgehäuse usw. Da andererseits die interstitiellen Elemente der Legierungen Ti-6Al-4VELI und Ti-5Al-2.5SnELI einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisen und bei extrem niedrigen Temperaturen verwendet werden können, werden diese Legierungen als Flüssigwasserstoffbehälter für Raketen und Raketen, abgedichtete Kabinen der Raumschiffe „Mercury“ und „Gemini“ sowie die wichtigsten Strukturteile des Raumschiffs „Apollo“ verwendet, das erfolgreich auf dem Mond gelandet ist.
Zu den in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendeten Titan- und Titanlegierungen zählen neben industriell reinem Titan, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4VELI und Ti-5Al-2.5SnELI auch Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al und Ti/B-Al-Verbundwerkstoffe. Das Space Shuttle ist das erste bemannte Raumfahrzeug der Welt, das wiederverwendet werden kann. Seine Entwicklung begann 1972 und der Jungfernflug war 1981 erfolgreich. Das Raumfahrzeug besteht aus einem Kleinflügelflugzeug, einem 47 m langen externen Treibstoffbehälter und zwei Feststoffraketen mit einem Gesamtgewicht von 500 t. Das Raumschiff ist 37 Meter lang und wiegt etwa 68 Tonnen. Diese Größe entspricht in etwa der des Düsentransporters DC-9. Es ist das bislang größte bemannte Raumschiff. Sein Frachtraum ist 18 Meter lang und 5 Meter im Durchmesser und kann 29,5 Tonnen Fracht in die Erdumlaufbahn transportieren.
Das Space Shuttle kann wie eine Rakete gestartet werden und wie ein Raumschiff in einer Umlaufbahn mit einer maximalen Höhe von 1000 km fliegen. Ohne Schub kann es wie ein Flugzeug gleiten und landen. Dieses Space Shuttle ist im Wesentlichen ein Raumtransportschiff. Einer der Parameter zur Beurteilung seiner Nützlichkeit ist daher die effektive Last für den Transport zwischen der Erde und der Erdumlaufbahn. Um diese effektive Last zu maximieren, ist Titanlegierung zu einem wichtigen Material für Motorkomponenten in der Luft- und Raumfahrt geworden.
Die geplante Lebensdauer des Orbitalraumfahrzeugs beträgt 100 Flüge, und jeder Flug bleibt 7 bis 30 Tage im Universum. Das Raumfahrzeug ist bemannt, daher ist es so konzipiert, dass es sich an die Weltraumumgebung (Vakuum, extreme Temperaturunterschiede im Orbit, Wärmeentwicklung bei der Rückkehr in die Atmosphäre usw.) anpasst und wiederholt verwendet werden kann.
1. Hochdruckbehälter
Titanlegierungen werden vielerorts verwendet, da sie das Gesamtgewicht von Raumfahrzeugen im Orbit reduzieren können. Titan wird hauptsächlich in Hochdruckbehältern für den erforderlichen Kraftstoff und das Gas verwendet. Leichte Behälter aus Titanlegierung wurden erfolgreich in den NASA-Raumfahrzeugprogrammen Gemini und Apollo entwickelt, wobei die Legierung Ti-6Al-4V verwendet wurde. Die Eisendruckbehälter des Apollo-Raumfahrzeugs verwendeten tatsächlich ein beispielloses Design mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5, das zuvor mit einem Sicherheitsfaktor von etwa 4 entworfen wurde. Um den Hochdruckspeicherbehälter des Orbital Space Shuttles weiter zu erleichtern, wird eine Methode angewendet, bei der der Oberfläche des dünnwandigen Titanbehälters weiße Quercetinfasern (aromatische organische Fasern, die von DuPont in den USA hergestellt werden) hinzugefügt werden. Druckbehälter zur Speicherung von Druckgas. Der Satellit und der Booster „Ranger“ teilten sich 14 Titanbehälter, wodurch die Gesamtmasse um 272 kg reduziert wurde. Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen Treibstoffen. Im Raumfahrzeug „Apollo“ wurden etwa 50 Druckbehälter verwendet, von denen 85 % aus Titan bestanden. Der Motor der Übergangsstufe Hercules III wurde nach der Umstellung auf einen Treibstofftank aus Titanlegierung um 35 % verkleinert.
2. Motorgehäuse
Gehäuse eines Raketentriebwerks mit Feststoffen. Das Raketentriebwerk der zweiten Stufe der Interkontinentalrakete „Minuteman“ verwendet eine Ti64-Legierung, um das Gewicht um 30 bis 40 % zu reduzieren. Gehäuse eines Raketentriebwerks mit Flüssigtreibstoff. Die Druckhülle der Brennkammer des Abstiegstriebwerks der Mondlandefähre „Apollo“ besteht aus einer Ti64-Legierung.
3. Verschiedene Strukturteile
Titanlegierungen werden auch häufig in verschiedenen Strukturteilen verwendet. Die Druckkabine des Raumschiffs „Mercury“ besteht hauptsächlich aus Titan und macht 80 % des Kabinengewichts aus. Im Raumschiff „Gemini“ werden 7 Titanlegierungssorten verwendet, wobei 570 kg Titanteile verwendet werden, die 84 % des Strukturgewichts ausmachen. Die Halterungen, Halterungen und Befestigungselemente des Raumschiffs „Apollo“ bestehen alle aus Titan, wobei insgesamt 68 t Titan verwendet werden.
4. Hydraulikleitungen
Die Hydraulikleitungen des Space Shuttle bestehen aus nahtlosen Rohren aus der Legierung Ti-3Al-2,5V. Durch die Verwendung dieser Legierung kann das Gewicht um mehr als 40 % reduziert werden. Um die Anfälligkeit für Ermüdungsbrüche zu verringern und die tatsächliche Lebensdauer des Systems zu erhöhen, wird bei der Montage der verschiedenen Rohre eine automatische Formgebung angewendet.
