การประยุกต์ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมคุณภาพสูงในยานยนต์ปล่อยจรวด

โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับถังเชื้อเพลิงจรวด

วัสดุโครงสร้างมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับชุดปัญหาต่างๆ เช่น การออกแบบโครงสร้างตัวจรวด เทคโนโลยีการผลิตและการประมวลผล เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุ และความประหยัด และเป็นกุญแจสำคัญในการกำหนดคุณภาพการบินขึ้นและความจุของน้ำหนักบรรทุกของจรวด ตามกระบวนการพัฒนาระบบวัสดุ กระบวนการพัฒนาวัสดุถังเชื้อเพลิงจรวดสามารถแบ่งได้เป็นสี่รุ่น รุ่นแรกคือโลหะผสมอลูมิเนียม 5 ซีรีส์ นั่นคือ โลหะผสม Al-Mg โลหะผสมที่เป็นตัวแทนคือโลหะผสม 5A06 และ 5A03 ซึ่งใช้ในการผลิตโครงสร้างถังเชื้อเพลิงจรวด P-2 ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และยังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้ โลหะผสม 5A06 ที่มี Mg 5.8% ถึง 6.8% Mg นั้น 5A03 คือโลหะผสม Al-Mg-Mn-Si รุ่นที่สองคือโลหะผสม 2 ซีรีส์ที่มีพื้นฐานมาจาก Al-Cu ถังเก็บเชื้อเพลิงของยานปล่อยจรวดซีรีส์ Long March ของจีนทำจากโลหะผสม 2A14 ซึ่งเป็นโลหะผสม Al-Cu-Mg-Mn-Si ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 จนถึงปัจจุบัน จีนเริ่มใช้ถังเก็บเชื้อเพลิง 2219 ในการผลิต ซึ่งเป็นโลหะผสม Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตถังเก็บเชื้อเพลิงสำหรับยานปล่อยจรวดต่างๆ ในเวลาเดียวกัน ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างของถังเชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำสำหรับปล่อยอาวุธ ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำที่ยอดเยี่ยมและประสิทธิภาพที่ครอบคลุม

โครงสร้างห้องโดยสารทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์

ตั้งแต่การพัฒนาของยานปล่อยจรวดในประเทศจีนในช่วงทศวรรษ 1960 จนถึงปัจจุบัน โลหะผสมอะลูมิเนียมสำหรับโครงสร้างห้องโดยสารของยานปล่อยจรวดนั้นถูกครอบงำโดยโลหะผสมรุ่นแรกและรุ่นที่สองที่แสดงโดย 2A12 และ 7A09 ในขณะที่ต่างประเทศได้เข้าสู่รุ่นที่สี่ของโลหะผสมอะลูมิเนียมโครงสร้างห้องโดยสาร (โลหะผสม 7055 และโลหะผสม 7085) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากคุณสมบัติความแข็งแรงสูง ความไวในการดับต่ำ และความไวต่อรอยบาก 7055 เป็นโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu-Zr และ 7085 ยังเป็นโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu-Zr เช่นกัน แต่มีปริมาณสิ่งเจือปน Fe และ Si ต่ำมาก และมีปริมาณ Zn สูงที่ 7.0%~8.0% โลหะผสม Al-Li รุ่นที่สามที่แสดงโดย 2A97, 1460 เป็นต้น ได้รับการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศต่างประเทศเนื่องจากมีความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง และการยืดตัวสูง

คอมโพสิตเมทริกซ์อะลูมิเนียมเสริมด้วยอนุภาคมีข้อดีคือมีโมดูลัสสูงและความแข็งแรงสูง และสามารถใช้แทนโลหะผสม 7A09 ในการผลิตโครงหลังคาแบบกึ่งโมโนค็อกได้ สถาบันวิจัยโลหะ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน สถาบันเทคโนโลยีฮาร์บิน มหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้เจียวทง ฯลฯ ได้ทำงานอย่างหนักในการวิจัยและเตรียมคอมโพสิตเมทริกซ์อะลูมิเนียมเสริมด้วยอนุภาค ซึ่งประสบความสำเร็จอย่างโดดเด่น

โลหะผสม Al-Li ที่ใช้ในอวกาศต่างประเทศ

การประยุกต์ใช้ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในยานยนต์อวกาศต่างประเทศคือโลหะผสม Weldalite Al-Li ที่พัฒนาโดย Constellium และ Quebec RDC ซึ่งรวมถึงโลหะผสม 2195, 2196, 2098, 2198 และ 2050 โลหะผสม 2195: Al-4.0Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr ซึ่งเป็นโลหะผสม Al-Li ตัวแรกที่ประสบความสำเร็จในการนำออกสู่เชิงพาณิชย์สำหรับการผลิตถังเก็บเชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำสำหรับการปล่อยจรวด โลหะผสม 2196: Al-2.8Cu-1.6Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr มีความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสูง ความเหนียวแตกหักสูง พัฒนาขึ้นในตอนแรกสำหรับโปรไฟล์กรอบแผงโซลาร์เซลล์ฮับเบิล ปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้สำหรับการอัดขึ้นรูปโปรไฟล์เครื่องบิน โลหะผสม 2098: Al-3.5 Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr เดิมพัฒนาขึ้นเพื่อการผลิตลำตัวเครื่องบิน HSCT เนื่องจากมีความแข็งแรงต่อความล้าสูง จึงปัจจุบันนำมาใช้ในลำตัวเครื่องบินรบ F16 และถังเชื้อเพลิงปล่อยยานอวกาศ Falcon โลหะผสม 2198: Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr ใช้ในการรีดแผ่นเครื่องบินพาณิชย์ โลหะผสม 2050: Al-3.5Cu-1.0Li-0.4Mg- 0.4Ag-0.4Mn-0.1Zr ใช้ผลิตแผ่นหนาแทนแผ่นโลหะผสม 7050-T7451 หนาสำหรับการผลิตโครงสร้างเครื่องบินพาณิชย์หรือส่วนประกอบการยิงจรวด เมื่อเทียบกับโลหะผสม 2195 แล้ว ปริมาณ Cu+Mn ของโลหะผสม 2050 ค่อนข้างต่ำ เพื่อลดความไวในการดับและรักษาคุณสมบัติเชิงกลสูงของแผ่นหนา ความแข็งแรงจำเพาะสูงขึ้น 4% โมดูลัสจำเพาะสูงขึ้น 9% และความเหนียวแตกหักเพิ่มขึ้นด้วยความต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนความเค้นสูงและความต้านทานการเติบโตของรอยแตกร้าวจากความเมื่อยล้าสูง รวมถึงความเสถียรของอุณหภูมิสูง

การวิจัยของจีนเกี่ยวกับการตีขึ้นรูปแหวนที่ใช้ในโครงสร้างจรวด

ฐานการผลิตยานปล่อยจรวดของจีนตั้งอยู่ในเขตพัฒนาเศรษฐกิจและเทคโนโลยีเทียนจิน ซึ่งประกอบด้วยพื้นที่วิจัยและผลิตจรวด พื้นที่อุตสาหกรรมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการบินและอวกาศ และพื้นที่สนับสนุนเสริม โดยบูรณาการการผลิตชิ้นส่วนจรวด การประกอบชิ้นส่วน และการทดสอบการประกอบขั้นสุดท้าย

ถังเก็บเชื้อเพลิงจรวดนั้นทำขึ้นโดยการเชื่อมต่อกระบอกสูบที่มีความยาว 2 ถึง 5 เมตร ถังเก็บนั้นทำจากโลหะผสมอลูมิเนียม ดังนั้นจึงต้องเชื่อมต่อและเสริมความแข็งแรงด้วยแหวนโลหะผสมอลูมิเนียม นอกจากนี้ ตัวเชื่อมต่อ แหวนเปลี่ยนผ่าน เฟรมเปลี่ยนผ่าน และชิ้นส่วนอื่นๆ ของยานอวกาศ เช่น ยานปล่อยและสถานีอวกาศ ยังต้องใช้แหวนปลอมเชื่อมต่อด้วย ดังนั้น แหวนปลอมจึงเป็นชิ้นส่วนเชื่อมต่อและโครงสร้างที่สำคัญมาก Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd., Northeast Light Alloy Co., Ltd. และ Northwest Aluminum Co., Ltd. ได้ทำงานมากมายในการวิจัยและพัฒนา ผลิต และแปรรูปแหวนปลอม

ในปี 2007 Southwest Aluminum ได้เอาชนะความยากลำบากทางเทคนิคต่างๆ เช่น การหล่อขนาดใหญ่ การเปิดแท่งโลหะ การรีดวงแหวน และการเสียรูปจากความเย็น และพัฒนาวงแหวนการดัดโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ม. เทคโนโลยีการดัดแกนเดิมได้เติมเต็มช่องว่างในประเทศและนำไปใช้กับ Long March-5B ได้สำเร็จ ในปี 2015 Southwest Aluminum ได้พัฒนาวงแหวนการดัดโลหะผสมอลูมิเนียมขนาดใหญ่พิเศษวงแรกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 ม. ซึ่งสร้างสถิติโลก ในปี 2016 Southwest Aluminum ได้พิชิตเทคโนโลยีหลักสำคัญหลายประการ เช่น การรีดขึ้นรูปและการอบชุบด้วยความร้อน และพัฒนาวงแหวนการดัดโลหะผสมอลูมิเนียมขนาดใหญ่พิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ม. ซึ่งสร้างสถิติโลกใหม่และแก้ปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการพัฒนายานปล่อยจรวดสำหรับงานหนักของจีน

เรียบเรียงโดย เมย์ เจียง จาก MAT Aluminum