การประยุกต์ใช้วัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมคุณภาพสูงในยานยนต์ปล่อย

โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับถังเชื้อเพลิงจรวด

วัสดุโครงสร้างมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับประเด็นต่างๆ เช่น การออกแบบโครงสร้างตัวจรวด เทคโนโลยีการผลิตและการประมวลผล เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุ และความคุ้มค่า และเป็นกุญแจสำคัญในการกำหนดคุณภาพการบินขึ้นและความสามารถในการรับน้ำหนักของจรวด ตามกระบวนการพัฒนาระบบวัสดุ กระบวนการพัฒนาวัสดุถังเชื้อเพลิงจรวดสามารถแบ่งออกเป็นสี่รุ่น รุ่นแรกคือโลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 5 หรือที่เรียกว่า Al-Mg โลหะผสมที่ใช้แทนคือโลหะผสม 5A06 และ 5A03 ซึ่งถูกนำมาใช้ในการผลิตโครงสร้างถังเชื้อเพลิงจรวด P-2 ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และยังคงใช้มาจนถึงปัจจุบัน โลหะผสม 5A06 ที่มี Mg 5.8% ถึง 6.8% Mg 5A03 เป็นโลหะผสม Al-Mg-Mn-Si รุ่นที่สองคือโลหะผสมซีรีส์ 2 ที่มี Al-Cu ถังเก็บเชื้อเพลิงของยานปล่อยจรวดซีรีส์ลองมาร์ชของจีนผลิตจากโลหะผสม 2A14 ซึ่งเป็นโลหะผสม Al-Cu-Mg-Mn-Si ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 จนถึงปัจจุบัน จีนเริ่มใช้ถังเก็บเชื้อเพลิง 2219 ซึ่งเป็นโลหะผสม Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti ในการผลิตถังเก็บเชื้อเพลิงสำหรับยานปล่อยจรวดหลากหลายชนิด ขณะเดียวกันยังใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างของถังเชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำสำหรับปล่อยอาวุธ ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในอุณหภูมิต่ำและประสิทธิภาพที่ครอบคลุม

โครงสร้างห้องโดยสารเป็นโลหะผสมอลูมิเนียม

นับตั้งแต่การพัฒนายานปล่อยจรวดในประเทศจีนในช่วงทศวรรษ 1960 จนถึงปัจจุบัน โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับโครงสร้างห้องโดยสารของยานปล่อยจรวดนั้น ส่วนใหญ่เป็นโลหะผสมรุ่นแรกและรุ่นที่สอง ได้แก่ 2A12 และ 7A09 ขณะที่ต่างประเทศได้เข้าสู่ยุคที่สี่ของโลหะผสมอลูมิเนียมโครงสร้างห้องโดยสาร (7055 และ 7085) ซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีคุณสมบัติความแข็งแรงสูง ความไวในการชุบแข็งต่ำ และความไวต่อรอยบาก 7055 เป็นโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu-Zr และ 7085 ก็เป็นโลหะผสม Al-Zn-Mg-Cu-Zr เช่นกัน แต่มีปริมาณ Fe และ Si เจือปนต่ำมาก และมีปริมาณ Zn สูงที่ 7.0%-8.0% โลหะผสม Al-Li รุ่นที่สาม ได้แก่ 2A97, 1460 เป็นต้น ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศในต่างประเทศเนื่องจากมีความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง และการยืดตัวสูง

คอมโพสิตอะลูมิเนียมเมทริกซ์เสริมแรงด้วยอนุภาคมีข้อดีคือโมดูลัสสูงและความแข็งแรงสูง และสามารถนำไปใช้ทดแทนโลหะผสม 7A09 ในการผลิตคานยึดห้องโดยสารแบบกึ่งโมโนค็อกได้ สถาบันวิจัยโลหะ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน สถาบันเทคโนโลยีฮาร์บิน มหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้เจียวทง ฯลฯ ได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการวิจัยและเตรียมคอมโพสิตอะลูมิเนียมเมทริกซ์เสริมแรงด้วยอนุภาค จนประสบความสำเร็จอย่างโดดเด่น

โลหะผสมอัล-ลิเธียมที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศต่างประเทศ

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 เดิมพัฒนาขึ้นเพื่อการผลิตตัวถัง HSCT เนื่องจากมีความแข็งแรงต่อความล้าสูง จึงปัจจุบันนำมาใช้ในตัวถังเครื่องบินรบ F16 และถังเชื้อเพลิงปล่อยยานอวกาศ Falcon โลหะผสม 2198: Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr ใช้สำหรับรีดแผ่นเครื่องบินพาณิชย์ โลหะผสม 2050: Al-3.5Cu-1.0Li-0.4Mg- 0.4Ag-0.4Mn-0.1Zr ใช้ผลิตแผ่นหนาแทนแผ่นหนาโลหะผสม 7050-T7451 สำหรับการผลิตโครงสร้างเครื่องบินพาณิชย์หรือส่วนประกอบการยิงจรวด เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสม 2195 แล้ว ปริมาณ Cu+Mn ในโลหะผสม 2050 ค่อนข้างต่ำเพื่อลดความไวในการดับและรักษาคุณสมบัติเชิงกลสูงของแผ่นหนา ความแข็งแรงจำเพาะสูงขึ้น 4% โมดูลัสจำเพาะสูงขึ้น 9% และความเหนียวแตกหักเพิ่มขึ้นด้วยความต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนความเค้นสูงและความต้านทานการเติบโตของรอยแตกร้าวจากความล้าสูง เช่นเดียวกับความเสถียรที่อุณหภูมิสูง

การวิจัยของจีนเกี่ยวกับการตีขึ้นรูปวงแหวนที่ใช้ในโครงสร้างจรวด

ฐานการผลิตยานยนต์ปล่อยจรวดของจีนตั้งอยู่ในเขตพัฒนาเศรษฐกิจและเทคโนโลยีเทียนจิน ประกอบด้วยพื้นที่วิจัยและผลิตจรวด พื้นที่อุตสาหกรรมประยุกต์เทคโนโลยีการบินและอวกาศ และพื้นที่สนับสนุนเสริม ครอบคลุมตั้งแต่การผลิตชิ้นส่วนจรวด การประกอบชิ้นส่วน และการทดสอบการประกอบขั้นสุดท้าย

ถังเก็บเชื้อเพลิงจรวดถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อกระบอกสูบที่มีความยาว 2 ถึง 5 เมตร ถังเก็บทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเชื่อมต่อและเสริมความแข็งแรงด้วยวงแหวนตีขึ้นรูปที่ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ นอกจากนี้ ตัวเชื่อมต่อ วงแหวนเปลี่ยนผ่าน โครงเปลี่ยนผ่าน และชิ้นส่วนอื่นๆ ของยานอวกาศ เช่น ยานปล่อยและสถานีอวกาศ ก็จำเป็นต้องใช้วงแหวนตีขึ้นรูปเช่นกัน ดังนั้นวงแหวนตีขึ้นรูปจึงเป็นชิ้นส่วนเชื่อมต่อและโครงสร้างที่สำคัญอย่างยิ่ง บริษัท เซาท์เวสต์ อลูมิเนียม (กรุ๊ป) จำกัด บริษัท นอร์ธอีสท์ ไลท์ อัลลอย จำกัด และบริษัท นอร์ธเวสต์ อลูมิเนียม จำกัด ได้ทุ่มเทอย่างมากในการวิจัยและพัฒนา ผลิต และแปรรูปวงแหวนตีขึ้นรูป

ในปี พ.ศ. 2550 Southwest Aluminum ได้เอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคต่างๆ เช่น การหล่อขนาดใหญ่ การเปิดแท่งโลหะ การรีดวงแหวน และการเสียรูปเย็น จึงได้พัฒนาวงแหวนโลหะผสมอะลูมิเนียมขึ้นรูปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เมตร เทคโนโลยีการรีดแกนกลางแบบดั้งเดิมได้เติมเต็มช่องว่างภายในประเทศและประสบความสำเร็จในการประยุกต์ใช้กับโครงการ Long March-5B ในปี พ.ศ. 2558 Southwest Aluminum ได้พัฒนาวงแหวนโลหะผสมอะลูมิเนียมขึ้นรูปขนาดใหญ่พิเศษวงแรกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 เมตร ซึ่งสร้างสถิติโลก ในปี พ.ศ. 2559 Southwest Aluminum ประสบความสำเร็จในการเอาชนะเทคโนโลยีแกนกลางที่สำคัญหลายประการ เช่น การรีดขึ้นรูปและการอบชุบด้วยความร้อน และพัฒนาวงแหวนโลหะผสมอะลูมิเนียมขึ้นรูปขนาดใหญ่พิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตร ซึ่งสร้างสถิติโลกใหม่และแก้ไขปัญหาทางเทคนิคสำคัญสำหรับการพัฒนายานปล่อยจรวดสำหรับงานหนักของจีน

แก้ไขโดย May Jiang จาก MAT Aluminum