Применение алюминия – Транспорт
Все виды транспорта на земле от велосипедов до космических ракет производятся из алюминия. Этот металл позволяет человеку двигаться с высокой скоростью, переплывать океаны, подниматься в небо и покидать пределы нашей планеты. На транспортную сферу уже приходится наибольшая часть мирового потребления алюминия – 27%. И в ближайшие года эта цифра будет только увеличиваться.
|
Ричард Бах
Чайка по имени Джонатан Ливингстон
Авиация и космос
Алюминий навсегда вошел в историю как металл, позволивший человеку летать. Легкий, прочный и пластичный, он оказался идеальным материалом для создания управляемых летательных аппаратов. Не даром второе имя алюминия – «крылатый металл».Сегодня на алюминий приходится около 75-80% общей массы современного самолета.
Прорыв, положивший начало современной авиации, произошел в 1903 году, когда братья Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Автомобильные двигатели того времени весили слишком много, обладали низкой мощностью и были неспособны поднять аппарат в воздух. Специально для этой цели был разработан новый двигатель, детали которого, в том числе блок цилиндров, были отлиты из алюминия.
В дальнейшем «крылатый» металл заменил дерево, сталь и другие материалы в конструкции первых самолетов и уже в 1917 году знаменитый немец авиаконструктор Хуго Юнкерс поднял в воздух первый цельнометаллический самолет, фюзеляж которого был выполнен из алюминиевого сплава – дюралюминия, в состав которого также входят медь (4,5%), магний (1,5%) и марганец (0,5%).
Дюралюминий
Во время Первой Мировой войны дюралюминий был настоящей военной технологией. Его состав и технология тепообработки были засекречены, поскольку он являлся важнейшим конструкционным материалом в самолетостроении.
С тех пор алюминий получил статус ключевого конструкционного материала в авиации, и держит эту марку по сей день. Состав авиационных сплавов меняется, самолеты совершенствуются, но главная задача авиаконструкторов остается неизменной: создание легкой машины с максимальной вместимостью, использующей минимальное количество топлива и не поддающееся коррозии со временем. Именно алюминий позволяет инженерам добиваться выполнения всех необходимых условий. В современных самолетах алюминий применяется буквально повсюду: в фюзеляже, закрылках, конструкциях крыла и хвостовой части, крепежных системах, конструкциях выхлопных отверстий, блоков питания, заправочных штангов, дверей и полов, каркасов пилотных и пассажирских сидений, топливных разъемах, гидравлических системах, кабинных стойках, подшипниках, приборах в кабине пилотов, турбинах двигателей и много где еще.
Основные алюминиевые сплавы, применяемые в авиации, — серии 2ххх, 3ххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх — для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии 3ххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло- и топливных системах.
Наибольшее применение получил сплав 7075, состоящий из алюминия, цинка, магния и меди. Это самый прочный из всех алюминиевых сплавов, сравнимый по этому показателю со сталью, но в 3 раза легче нее.
Например, крыло крупнейшего грузового самолета в мире Ан-124-100 «Руслан», грузоподъемностью до 120 тонн, состоит из восьми прессованных алюминиевых панелей шириной 9 метров каждая. Конструкция крыла такова, что оно работает даже при двух разрушенных панелях.Сегодня авиаконструкторы пытаются найти материал, обладающий всеми преимуществами алюминия, но еще более легкий. Единственным кандидатом, подходящим на эту роль, на данный момент является углеродное волокно. Оно состоит из нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Первым магистральным пассажирским самолетом, фюзеляж которого был полностью изготовлен из композиционных материалов, стал Boeing 787 Dreamliner, выполневший свой первый коммерческий полет в 2011 году.
Однако производство таких самолетов обходится гораздо дороже, чем при использовании алюминия. Кроме этого, углеволокно не обеспечивает должного уровня безопасности летательных аппаратов.
Основные сильные стороны космических алюминиевых сплавов – стойкость к высоким и низким температурам, вибрационным нагрузкам и воздействию радиации.
Ни один современный космический корабль не обходится без алюминия – от 50% до 90% веса космических летательных аппаратов приходится на конструкции из алюминиевых сплавов. Они использовались для изготовления корпуса космических челноков Space Shuttle, телескопической балки антенны космического телескопа Hubble, из них изготавливаются водородные ракетные баки, носовые части ракет, конструкции разгонных блоков, корпуса орбитальных космических станций и крепежей для солнечных батарей на них.
Даже твердотопливные ракетные ускорители работают на алюминии.
Такие ускорители разгоняют первую ступень космических кораблей и состоят из алюминиевого порошка, окислителя в виде перхлората того же алюминия и связующего вещества. Например, самая мощная на сегодня в мире ракета-носитель «Сатурн-5» (может вывезти на околоземную орбиту 140-тонный груз) за время полета сжигает 36 тонн алюминиевого порошка.
Автомобилестроение
Автомобиль – самый распространенный вид транспорта в мире. Главным конструкционным материалом здесь является относительно дешевая сталь. Однако вместе с тем как основными приоритетами автомобильной отрасли становятся экономия топлива, снижение выбросов СО2, а также дизайн автомобиля, все более важную роль в автомобилестроении начинает играть алюминий.В 2014 году мировая автомобильная индустрия (без учета Китая) потребила 2,87 млн тонн алюминия. Ожидается, что к 2020 году эта цифра вырастет до 4,49 млн тонн. Ключевыми факторами этого роста являются как увеличение производства самих автомобилей, так и повышение использования алюминия в них.
Каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, позволяет снизить общую массу машины на килограмм. Поэтому на алюминий переводилось производство все большего количества его деталей: радиаторы системы охлаждения двигателя, колесные диски, бампера, детали подвески, блоки цилиндров двигателя, корпуса трансмиссий и, наконец, детали кузова – капоты, двери и даже вся рама. В результате с 1970-х годов доля алюминия в общем весе автомобиля постоянно увеличивается – с 35 кг до сегодняшних 152 кг. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году среднее содержание алюминия в одном автомобиле достигнет 250 кг.
Формула 1
Гоночный болид Формулы-1, согласно требованиям на 2015 год, должен весить не менее 702 килограммов. Две трети этой массы приходится на алюминий. В то время как обшивка кузова выполнена из углепластика, все внутренние узлы и компоненты изготавливаются именно из «крылатого металла».
Алюминий использовался в автомобилестроении практически с момента начала промышленного использования этого металла.
В 1899 году на международной выставке в Берлине был представлен первый автомобиль, корпус которого был полностью сделан из алюминия, — спортивный Durkopp. А в 1901 году алюминиевым стал и двигатель — для участия в гонках в Ницце его смастерил знаменитый немецкий изобретатель Карл Бенц. В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон участвовал в гонках Индианаполис 500 на машине с двигателем из алюминия и показал превосходный результат. Многие фирмы позднее усовершенствовали этот двигатель и использовали его в различных массовых моделях и гоночных автомобилях, в том числе и в болидах Формулы-1. Интерес к алюминиевым деталям подстегнул и нефтяной кризис 1970-х. Вынужденные озаботиться экономией топлива, конструкторы стали заменять детали из стали на более легкие алюминиевые, тем самым снижая общий вес машины.
Микки Томпсон
Индианаполис 500, 1962 г.
Range Rover
Последняя модель Range Rover с полностью алюминиевым кузовом стала легче на 39% или 420 килограмм. Это равноценно весу пяти человек.
В 2014 году произошло очередное знаковое событие для отрасли – автомобиль с полностью алюминиевым кузовом появился в массовом сегменте. Им стал Ford-150 – самый популярный пикап в США на протяжении 38 лет. Благодаря переходу на алюминий автомобиль стал легче на 315 кг по сравнению с предшествующей моделью, что позволило существенно снизить расход топлива, выхлоп CO2, а также увеличить грузоподъемность и улучшить динамику разгона и торможения. При этом автомобиль получил самый высокий рейтинг надежности NHTSA – пять звезд вместо четырех в предыдущей модели.
Основными методами изготовления различных автодеталей являются литье и штамповка из прокатанных листов и полос.
Но некоторые из них изготавливаются необычным способом горячего прессования мелкого алюминиевого порошка – САП (спеченная алюминиевая пудра). Окисленную алюминиевую пудру помещают в алюминиевую же оболочку и нагревают до температуры чуть меньшей, чем плавление металла, и в горячем виде прессуют. Получившиеся изделия отличаются высокой прочностью и используются там, где нужны детали для работы в условиях высоких температур с низким коэффициентом трения – например, так делаются поршни двигателей.
Tesla
Полностью дополнительная защита Tesla состоит из трех уровней. Первый – полый алюминиевый брус специальной формы, который либо отбрасывает лежащий на дороге предмет, либо смягчает удар. Второй – плита из титана, защищающая наиболее уязвимые компоненты в передней части автомобиля. Третий – щит из штампованного алюминия, который рассеивает энергию удара и, если препятствие твердое и неподвижное, приподнимает автомобиль над ним.
Поэтому автопроизводители уже давно используют этот металл для бамперов. Днище революционного электрического автомобиля Tesla оснащено 8-миллиметровой пуленепробиваемой броней из алюминиевых сплавов, которая защищает батарейный отсек и гарантирует безопасность при движении на скорости в 200 км/ч. Недавно компания установила на свои машины дополнительную алюминиево-титановую защиту, которая позволяет автомобилю в прямом смысле слова разрушать попадающие под колеса препятствия из бетона и закаленной стали, сохраняя управляемость.Алюминиевый кузов имеет преимущества перед стальным в плане безопасности еще и потому, что деформации в алюминиевых конструкциях локализуются в компактных зонах, не давая деформироваться другим частям кузова и сохраняя максимальную безопасность той части машины, где находятся пассажиры.
Эксперты утверждают, что в ближайшее десятилетие автопроизводители существенно увеличат использование алюминия в своих моделях. «Крылатый металл» в большом количестве будет использоваться в деталях кузова либо для изготовления кузова целиком.
При этом многие автомобильные компании сегодня договариваются с производителями алюминия о создании производств замкнутого цикла, когда из идущих на лом алюминиевых деталей утилизируемых автомобилей создаются запчасти для новых машин. Сложно представить себе более экологичный вид промышленного производства.
Железнодорожный транспорт
Применение алюминия в железнодорожном транспорте началось практически сразу после образования самой алюминиевой промышленности. В 1894 году железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия.Однако сначала алюминий оказался наиболее востребованным в сегменте грузоперевозок, где от состава требуется максимально низкий вес, что позволяет перевезти больший объем грузов.
Первые грузовые вагоны, полностью выполненные из алюминия, были выпущены в 1931 году в США.
Это был хоппер – вагон для перевозки сыпучих и гранулированных грузов, кузов которого имеет форму воронки с люками для разгрузки в донной части. Сегодня для производства таких вагонов используются, в основном, сплавы 6ххх серии, — они обладают повышенной прочностью и коррозийной стойкостью.
Shinkansen
Первый высокоскоростной поезд в мире появился в Японии в 1964 году. Он курсировал между Токио и Осакой и преодолевал расстояние в 515 км за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч. Shinkansen позволил разрешить острую транспортную проблему этого региона, в котором проживало более 45 млн человек.
Алюминиевый грузовой вагон на треть легче, чем стальной. Его более высокая изначальная стоимость окупается в среднем за два первых года эксплуатации за счет перевозки большего объема грузов.
При этом алюминий в отличие от стали не подвержен коррозии, поэтому алюминиевые вагоны долговечны и за 40 лет использования теряют лишь 10% своей стоимости.
В пассажирском железнодороджном транспорте алюминий позволяет производить вагоны на треть более легкие, чем стальные аналоги. В случае метро и пригородных поездов, для которых характерны частые остановки, это позволяет добиться существенной экономии энергии, затрачиваемой на разгон состава. Помимо этого, алюминиевые вагоны проще в производстве и содержат значительно меньшее количество деталей.
В железнодорожном транспорте дальнего следования алюминий активно применяется в производстве высокоскоростных поездов, активное применение которых в мире началось в 1980-х годах. Такие поезда развивают скорость до 360 км/ч и выше. Новые технологии в этом направлении позволят добиться скоростей более 600 км/ч.
Алюминий дает возможность снизить вес такого поезда и соответственно уменьшить прогиб рельсов, создающий сопротивление движению.
Кроме того, высокоскоростной поезд, как самолет, должен обладать обтекаемой формой и минимальным числом выступающих деталей – здесь на помощь конструкторам вновь приходит «крылатый металл».
Transrapid
Маглев-трасса в Китае, соединяющая Шанхай и шанхайский аэропорт Пудун. Поезд движется по ней со с коростью 450 км/ч и преодолевает расстояние в 30,5 км всего за 8 минут.
На данный момент AGV эксплуатируется только в одной железнодорожной сети – итальянской Nuovo Trasporto Viaggiatori.Корпус первого российского скоростного поезда «Сапсан» также выполнен из алюминиевых сплавов.
Технология магнитной левитации – следующий шаг развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Поезд на магнитной подушке удерживается над полотном силой магнитного поля и не касается поверхности. В результате он может развивать более высоких скоростей скорости – на данный момент в ходе испытаний в Японии достигнута скорость 603 км/ч.
Судостроение
Безусловным важным качеством судового алюминия является также хорошая свариваемость и хорошие прочностно-механические свойства.
Алюминиевые листы и плиты для судостроения производятся методами холодной или горячей прокатки, а профили, прутки и трубы могут производиться методами прессования, прокатки или волочения.
Первый частично алюминиевый катер Le Migron был изготовлен в Швейцарии в 1891 году. Через несколько лет успешный опыт алюминиевого судостроения был применен в Шотландии при постройке 58-метровой торпедной лодки. Она была весьма прочной и развивала максимальную для того времени скорость в 32 узла. Катер назывался «Сокол» и был сделан для военно-морского флота России.
Корпус высокоскоростных пассажирских теплоходов на подводных крыльях, развивающих скорость свыше 80 км/ч, изготавливается из алюминиевых сплавов – дюрали или магналия. Для развития высокой скорости и манёвренности судам нужна сравнительно небольшая собственная масса.
Коррозия в течение первого
года эксплуатации
Коррозия в течение первого
года эксплуатации
В течение первого года эксплуатации сталь покрывается коррозией со скоростью 120 мм в год, а алюминий – 1 мм в год. Кроме этого, «морской алюминий» обладает отличными прочностными характеристиками. Он пластичен, и даже при сильном ударе цельносваренный алюминий почти не пробивается насквозь. Алюминиевый каркас помогает улучшить мореходность, повысить безопасность и снизить расходы на текущее обслуживание.Поэтому из этого металла делают яхты, моторные лодки, катера, а также глубоководные аппараты. Как правило, спортивные суда от корпуса до надстроек изготавливаются из алюминия, что дает выигрыш в скорости; а корпуса судов повышенной грузоподъемности изготавливаются из стали, а вот надстройки и другое вспомогательное оборудование делаются из алюминиевых сплавов, снижая общий вес судна и повышая его грузоподъемность.
В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.
Читайте также
Применение алюминия в других сферах
Строительство
Энергетика
Потребительские товары
Упаковка
КРЫЛАТЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ | Наука и жизнь
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Восьмимоторный гигант АНТ-20 («Максим Горький») был построен, как и многие металлические самолеты начала 30-х годов, из гофрированного алюминия.
При использовании традиционного сплава Д-16 пассажирский самолет Ту-154 получался слишком тяжелым.
Сварной корпус самолета МиГ-29 изготовлен из алюминиево-литиевого сплава 1420.
Массивные и очень ответственные детали шасси современных транспортных и пассажирских самолетов ОКБ им. С. В. Ильюшина изготовлены из титанового сплава ВТ-22. На снимке: Ил-76.
‹
›
Открыть в полном размере
— Сталь и алюминий, титан и пластмассы, клеи и дерево, стекло и резина — ни один самолет не полетит без этих материалов. Все они разработаны или испытаны в ВИАМе
— В каждой лопатке турбины реактивного двигателя воплощены самые совершенные металлургические технологии. Стоимость одной монокристаллической лопатки соизмерима с ценой дорогого легкового автомобиля
— Испытательный центр — «малая академия наук» ВИАМа. Грозит ли усталость металла разрушением самолета? Как найти скрытые дефекты в металле? Какими свойствами обладает новый материал? Во всем этом разбираются сотрудники Испытательного центра
— Армрестлинг как способ разрешения ученого спора, или Как Н.
С. Хрущев летал в Америку
— «Состаренный» материал не значит «старый»
— Как кроили «шубу» для «Бурана»
— От воздействия высоких температур турбинные лопатки защищает плазма
— Чем совершеннее летательный аппарат, тем больше в нем неметаллических материалов . Уже спроектированы самолеты, на две трети состоящие из композитных материалов и пластмасс
— Утром лаборант, вечером студент. И все это — не выходя из родной лаборатории. Если государство не готовит специалистов, их приходится учить на месте
— Коррозия — враг любого металла. Ржавеет даже нержавеющая сталь. Как лечить язвы на теле «Рабочего и колхозницы»?
— Склеить можно все что угодно. Нужен только подходящий клей. В небе летают склеенные самолеты, и это не детские модели, а большие транспортные воздушные суда.
Первые шаги нашей авиации связаны с закупкой иностранных самолетов. Были они по большей части деревянными, фюзеляж и крылья обтягивались тканью.
Конечно же такие «матерчатые» самолеты не могли выдерживать значительных скоростных и температурных нагрузок, нужны были иные материалы, прежде всего — металл.
Идея строить самолеты из алюминия возникла в Германии. Там же появились первые сплавы, разработанные специально для самолетов. Их назвали дуралюминами. Подобный сплав был создан и у нас в стране в середине 20-х годов. Он получил марку Д-1 — это сплав алюминия с медью и небольшим количеством магния.
В 1932 году академик А. А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов, которая легла в основу создания легких сплавов. В стране к тому моменту существовала производственная база: первый алюминиевый завод «Кольчугалюминий» (расположенный в селе Кольчугино Владимирской области) выпускал гладкие и гофрированные листы технического алюминия — это алюминий с небольшими добавками марганца и магния. Такой алюминий обладал достаточной прочностью, был пластичен и потому использовался для обшивки фюзеляжей летательных аппаратов.
Однако материал для новых скоростных самолетов должен был иметь совершенно иные качества. И через некоторое время в лаборатории алюминиевых сплавов ВИАМа (созданной одновременно с открытием института в 1932 году) разработали сплав Д-16, который применялся в самолетостроении почти до середины 80-х годов. Это сплав на основе алюминия с содержанием 4-4,5% меди, около 1,5% магния и 0,6% марганца. Из него можно было делать практически любые детали самолета: обшивку, силовой набор, крыло.
Но скорости и высота полетов росли. Требовались высокопрочные сплавы. В середине 50-х годов возглавивший лабораторию алюминиевых сплавов академик И. Н. Фридляндер совместно со своими коллегами В. А. Ливановым и Е. И. Кутайцевой разрабатывает теорию легирования высокопрочных сплавов. Введение в систему алюминий — медь цинка и магния позволило резко увеличить прочность материала. Так возник сплав В-95, обладающий прочностью 550-580 Мпа (~ 5500-
5800 кгс/см2) и в то же время имеющий хорошую пластичность.
У него был один изъян: недостаточная коррозионная стойкость, что, однако, устранялось путем двухступенчатого искусственного старения.
Новый сплав получил признание авиастроителей не сразу. В это время А. Н. Туполев создавал новый пассажирский лайнер Ту-154. Проект никак не укладывался в заданные весовые характеристи ки, и тогда генеральный конструктор сам позвонил Фридляндеру, обратившись за помощью, на что тот конечно же предложил использовать новый сплав. Проект новой машины переработали. Сплав В-95 нашел свое место для верхней поверхности крыла, из него изготовили прессованные панели и стрингеры, значительно снизив вес самолета. Такие же исследования параллельно шли в США. Там возникли сплавы серии 7000, в частности сплав 7075 — полный аналог нашего сплава.
Нагрузки, которые испытывает крыло самолета, неравноценны. Если верх крыла работает в основном на сжатие, то нижняя часть — на растяжение. Поэтому ее по-прежнему делали из дуралюмина Д-16, имеющего более высокие пластичность и порог усталости.
Но и этот сплав претерпел серьезную модификацию за счет повышения чистоты по примесям при литье слитков. Технологические усовершенствования были столь значительны, что появился фактически новый материал — сплав 1163, который и в настоящее время успешно используется в нижних обшивках крыла и всего фюзеляжа.
Увеличение эксплуатационного ресурса самолетов всегда оставалось и остается задачей номер один. Добиться еще большей надежности и долговечности материалов можно, изменив структуру металла — «измельчив зерно». Для этого в сплавы начали вводить небольшие количества (до 0,1%) циркония. Величина зерна металла действительно резко уменьшилась, ресурс возрос. Одновременно создавались специальные ковочные сплавы, предназначенные для самых ответственных, силовых конструкций лайнеров. Так был разработан сплав 1933, превосходящий по своим параметрам зарубежные аналоги. Из него изготовляют детали силового набора и шпангоуты. Специалисты европейской авиастроительной фирмы «Эрбас» провели испытания нового материала и приняли решение использовать его в своих самолетах серий А-318 и А-319.
К сожалению, процесс весьма выгодного сотрудничества приостановлен. Причина в том, что акции двух основных российских производителей алюминиевой продукции — Самарского и Белокалитвенского металлургических комбинатов — выкуплены американской фирмой «ALKO». Значительная часть оборудования на предприятиях демонтирована, технологическая цепочка нарушена, квалифицированные кадры разошлись, и производство фактически прекратилось. Сейчас эти предприятия выпускают в основном фольгу, которая идет на изготовление пищевых банок и упаковок…
И хотя в настоящее время при посредстве российского правительства между компанией «АЛКОА-РУС» (она теперь называется так), ВИАМом и авиационными конструкторскими бюро достигнуты договоренности о возобновлении выпуска так необходимых нашей авиационной промышленности материалов, процесс восстановления идет крайне медленно и болезненно.
ВИАМ стал родоначальником серии сплавов пониженной плотности. Это совершенно новый класс материалов, содержащих литий.
Первый такой сплав создал академик И. Н. Фридляндер со своими учениками еще в 60-х годах — на четверть века раньше, чем где-либо в мире. Его практическое использование, правда, поначалу было ограничено: такой активный элемент, как литий, требует особых условий выплавки. Первый промышленный алюминиево-литиевый сплав (его марка 1420) был создан на основе системы алюминий — магний с добавлением 2% лития. Его использовали в КБ А. С. Яковлева при строительстве самолетов вертикального взлета для палубной авиации — именно для таких конструкций экономия веса имеет особое значение. Як-38 эксплуатируется до сих пор, и никаких нареканий к сплаву нет. Более того. Оказалось, что детали из этого сплава обладают повышенной коррозионной стойкостью, хотя алюминиево-магниевые сплавы и сами по себе мало подвержены коррозии.
Сплав 1420 можно сваривать. Это его свойство использовали при создании самолета МиГ-29М. Выигрыш в весе при строительстве первых опытных образцов самолета за счет пониженной плотности сплава и исключения большого количества болтовых и клепочных соединений достигал 24%!
В настоящее время модификацией этого сплава — сплавом 1424 — весьма заинтересовались специалисты «Эрбаса».
На заводе в городе Кобленце (ФРГ) из сплава откатали широкие листы длиной 8 м, из которых изготовили полноразмерные элементы конструкции фюзеляжа. Ребра жесткости из того же материала приварили лазерной сваркой, а элементы соединили между собой сваркой трением, после чего отправили на ресурсные испытания во Францию. Несмотря на то что некоторым деталям намеренно нанесли повреждения (для оценки работоспособности в экстремальной ситуации), после 70 тысяч циклов нагрузки конструкция полностью сохранила эксплуатационные свойства.
Еще один сплав с литием, созданный в ВИАМе, — 1441. Его главная особенность в том, что из него можно делать листы рулонной прокатки толщиной 0,3 мм с сохранением высоких прочностных качеств. Конструкторское бюро имени Бериева использовало сплав для изготовления обшивки своего гидросамолета Бе-103. Эту небольшую — всего на четыре человека — машину, толщина обшивки которой 0,5-0,7 мм, выпускает завод в Комсомольске-на-Амуре. Ее вес на 10% меньше, чем аналогичных моделей из традиционных материалов.
Партию таких самолетов уже купили американцы.
Тонкий, но прочный прокат необходим для создания недавно появившегося нового класса материалов — слоистых алюмостеклопластиков, которые в России называются «сиал», а за границей — «глэр». Материал представляет собой многослойную конструкцию: чередование слоев алюминия и стеклопластика. У него немало преимуществ перед монолитными. Во-первых, стеклопластик можно армировать искусственными волокнами, на треть увеличивая прочность. Но главный выигрыш в том, что, если в конструкции появляется трещина, она растет на порядок медленней, чем в монолитных материалах. Именно этим сиалы, или глэры, в первую очередь заинтересовали авиастроителей. Из такого материала впервые изготовлена верхняя часть обшивки фюзеляжа аэробуса А-380 в наиболее ответственных местах — перед крылом и после крыла. Ресурсные испытания показали, что трещина в таком материале при рабочих нагрузках практически не растет. Поэтому глэры можно использовать как преграды-стопперы для предотвращения роста трещин в виде вставок в верхние обшивки фюзеляжа, где требуются особо высокая надежность и долгий ресурс службы.
Титан, как и алюминий, тоже имеет право называться небесным или крылатым. Лаборатория титановых сплавов была создана в институте в 1951 году. Ее основатель профессор С. Г. Глазунов изобрел установку для литья титана и, собственно, создал первый титановый сплав. Вторая подобная установка была с помощью ВИАМа построена во Всесоюзном институте легких сплавов (ВИЛС), а потом мы вместе внедряли разработанные технологические процессы на металлургическом комбинате в Верхней Салде, который сейчас является основным производителем титановой продукции в стране. В советское время комбинат выпускал более 100 тыс. тонн такой продукции. После распада СССР производство сократилось в несколько раз. Новому директору завода В. В. Тютюхину пришлось приложить огромные усилия, чтобы исправить положение. После резкого спада производства завод начал подниматься. Сейчас выпуск титановой продукции составляет 25 тыс. тонн в год. Большая ее часть (около 80%) поставляется за границу по заказам ведущих самолетостроительных концернов.
В связи с оживлением авиастроительной промышленности в России возникла насущная необходимость создания альтернативного производства. Гиганту, каким является комбинат, невыгодно выпускать небольшие партии продукции. Заказы же российских авиапроизводителей пока невелики — 3-5 тонн, а цикл изготовления очень длительный и доходит до года. Такое производство может быть создано на базе ВИАМа, ВИЛСа и Ступинского металлургического комбината, где, собственно, и перерабатываются слитки, получаемые из Верхней Салды.
В ВИАМе создано более полусотни титановых сплавов различного назначения, из которых сегодня серийно используется около тридцати. Сейчас доля титановых сплавов в самолете в зависимости от его типа и назначения колеблется от 4 до 10-12%. Высокопрочные сплавы из титана, например ВТ-22, более четверти века используются для изготовления сварных шасси Ил-76 и Ил-86. Это сложные, массивные детали на Западе начинают делать из титана только сейчас. В ракетной технике доля титана намного выше — до 30%.
Созданные в ВИАМе высокотехнологичные сплавы ВТ-32 и ВТ-35 в отожженном состоянии очень пластичны. Из них можно формовать сложные детали, которые после искусственного старения приобретают чрезвычайно высокую прочность. Когда в начале 1970-х годов в КБ Туполева создавался стратегический бомбардировщик Ту-160, на московском заводе «Опыт» был построен специальный цех для изготовления титановых деталей центроплана. Эти самолеты летают до сих пор, правда, в России их осталось только одна эскадрилья.
Сегодня перед ВИАМом стоит задача создания титановых сплавов, надежно работающих при температурах 700-750оС. К сожалению, все металловедческие возможности, использовавшиеся при создании традиционных сплавов, уже реализованы. Требуются новые подходы. В этом направлении в лаборатории идут исследования по созданию так называемых интерметаллидных соединений на базе титан — алюминий.
Алюминиево-бериллиевые сплавы (их называют АБМ) исследуются и создаются на нашем предприятии уже 27 лет.
Первый самолет с использованием такого сплава построил конструктор П. В. Цыбин.
Сплавы АБМ выгодно отличаются от других алюминиевых сплавов более высокой усталостной прочностью и уникальной акустической выносливостью. Сейчас они нашли применение в сварных конструкциях космических аппаратов, в том числе в серии хорошо известных межпланетных станций «ВЕНЕРА».
Интересен и сам бериллий, у которого модуль упругости на 30-40% выше, чем у высокопрочных сталей, а коэффициенты термического расширения близки, что позволило применять его в гироскопах.
В ВИАМе разработана технология изготовления тонкой вакуумно-плотной фольги и дисков и пластин из нее. Разработана технология пайки такой фольги с другими конструкционными материалами, и налажено серийное производство узлов рентгеновских аппаратов как для российских предприятий, так и для зарубежных фирм.
Еще один наш филиал организован в Поволжье в начале 1980-х годов, во время создания самого большого авиационного завода в Ульяновске, который выпускал гиганты авиации — «Русланы» и «Мрии».
Для технологического сопровождения этих самолетов и была создана специальная лаборатория.
Одна из ее задач — внедрение в авиастроение композиционных материалов. Это — ближайшее будущее самолетостроения. Например, «Боинг-787», который готовится к выпуску через два года, на 55-60% будет состоять из композиционных материалов. Весь планер: фюзеляж, крыло, оперение — строится из композиционных материалов — углепластиков. Доля алюминия сократится до 15%. Углепластики — чрезвычайно заманчивый материал для самолетостроителей. Они обладают высокой удельной прочностью, малым весом, довольно приличными ресурсными характеристиками. Угроза разрушения из-за образования трещин снижается на порядки. Хотя, конечно, в отношении этих материалов остается ряд вопросов, которые до сих пор не решены. Было установлено, например, что в месте контакта углепластика с алюминием из-за возникновения гальванической пары развивается коррозия. Поэтому в таких местах алюминий пришлось менять на титан.
Когда создавался Ульяновский филиал, доля композитных материалов в конструкции отечественных летательных аппаратов была не очень велика.
Тем не менее мы потихоньку начали обучать работе технологов, рабочих… Потом настали трудные времена, весь завод находился на грани закрытия, но филиал выжил. Постепенно производство восстанавливалось, и, хотя до сих пор оно наполовину законсервировано, есть несколько заказов на Ту-204, есть заказы из Германии на изготовление «Русланов». А значит, есть поле деятельности для нашей лаборатории.
Второе направление работы Ульяновского филиала — специальные, эрозионно- и коррозиестойкие покрытия.
При разложении металлоорганических жидкостей в вакууме на поверхностях образуются покрытия из хрома и карбидов хрома. Регулируя процесс, можно получать покрытия, содержащие любые соотношения этих компонентов — от чистого хрома до чистых карбидов. Твердость хромированного покрытия — 900-1000 Мпа, карбидного — вдвое выше — около 2000 Мпа. Но, чем выше твердость, тем больше хрупкость. Между этими крайностями и находят искомое в каждом отдельном случае.
Другой путь достижения нужных результатов обеспечивают нанотехнологии.
В гальванические хромосодержащие ванны вводят наночастицы карбидов и оксидов металлов размером от 50 до 200 нм. Изюминка процесса в том, что сами эти частицы в состав покрытия не входят. Они лишь усиливают активность осаждаемого компонента, создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему покрытие получается более плотным, более коррозиестойким, обладает лучшими противоэрозионными свойствами.
И в заключение еще об одном уникальном качестве института: в СССР существовала неплохая система, надежно гарантирующая качество конечного продукта предприятия. В ВИАМе эта система сохранилась и поныне. Если конструкторское бюро или частная компания закупают какой-то продукт, перед использованием они предпочитают передать его в ВИАМ на испытание. Нам по-прежнему доверяют.
См. в номере на ту же тему
Е. КАБЛОВ — ВИАМ — национальное достояние.
И. ДЕМОНИС — Во все лопатки.
М. БРОНФИН — Испытатели — исследователи и контролеры.
Академики дают разрешение на беспосадочный перелет Н. С. Хрущева в Нью-Йорк на сверхдальнем самолете ТУ-114 .
И. ФРИДЛЯНДЕР — Старение — не всегда плохо.
Б. ЩЕТАНОВ — Тепловая защита «Бурана» началась с листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН — Плазма против пара: победа за явным преимуществом .
БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
Э. КОНДРАШОВ — Без неметаллических деталей самолеты не летают.
И. КОВАЛЕВ — В науку — со школьной скамьи .
С. КАРИМОВА — Коррозия — главный враг авиацииc.
А. ПЕТРОВА — Посадить на клей.
Самолеты: какие они, как летают, какие бывают типы
- Ферровиал
- Ресурсы
Что такое самолет?
Самолет — это транспортное средство, имеющее крылья и один или несколько двигателей и способное двигаться по воздуху.
Слово самолет также обычно используется для обозначения самолетов, хотя на самом деле его можно использовать для других типов транспортных средств, таких как вертолеты.
Какие существуют типы самолетов?
Самолеты можно классифицировать по форме, двигателю, весу и т. д. Здесь мы будем использовать менее техническую классификацию, классификацию по назначению:
- Пассажирский самолет: они созданы специально для транспортных групп людей; они используются авиакомпаниями для коммерческих рейсов , хотя они также могут быть частными. Они оснащены герметичными кабинами и некоторыми функциями, такими как сиденья, туалеты, экраны и небольшие кухни.
- Грузовой самолет: используются для перевозки товаров и крупных объектов. В них нет сидений или других элементов, необходимых для перевозки людей. Обычно у них более широкий фюзеляж, чтобы было больше места для хранения; более высокие крылья, чтобы груз находился ближе к земле при заземлении; больше колес; и более высокие хвосты, т.
к. погрузка и разгрузка обычно происходит через заднюю дверь. - Военный самолет: используется в военных целях. Хотя пассажирские и грузовые самолеты также могут быть военными (а не гражданскими), этот ярлык предназначен для самолетов нападения или обороны. Существует множество типов военных самолетов в зависимости от их назначения. Например, это могут быть бомбардировщики, способные перевозить и сбрасывать бомбы или ракеты; или истребители, спроектированные и оборудованные для перехвата и уничтожения целей в воздухе, достигающие очень высоких скоростей за короткое время.
к. погрузка и разгрузка обычно происходит через заднюю дверь.Как делают самолеты?
Сырье для самолетов должно быть жестким, прочным, устойчивым к коррозии и легким. Большинство самолетов изготавливаются из титана, стали, алюминия и композитных материалов (часто включая полимеры и углеродное волокно).
Инженеры определяют, из каких материалов будет построен самолет, принимая во внимание ряд факторов, включая размеры, назначение и т.
д. Назначение самолета особенно формирует раму и корпус. Большинство старых коммерческих самолетов в основном изготавливались из алюминия, а новые — из композитных материалов. Военные самолеты могут использовать легкие сплавы, такие как титан.
Почему летают самолеты?
Принцип их действия основан на аэродинамической силе, создаваемой крыльями в направлении вверх, называемой подъемной силой. Это вызвано разницей давлений между верхом и низом крыла.
Чем выше летит самолет, тем быстрее он летит. Это связано с тем, что воздух становится менее плотным на больших высотах и создает меньшее аэродинамическое сопротивление. Это также может быть полезно, чтобы избежать турбулентности и сэкономить топливо.
Как высоко летают самолеты?
Высота полета воздушного судна зависит от нескольких факторов, таких как тип воздушного судна, расстояние между пунктами отправления и прибытия, направление ветра и сертификация воздушного судна для полетов с RVSM (сокращенный минимум вертикального эшелонирования).
Большинство коммерческих авиалайнеров имеют абсолютный потолок полета около 40 000 футов (13 000 метров), в то время как некоторые реактивные самолеты могут достигать высоты 52 000 футов (15 850 метров). Верхний предел для военной авиации сегодня составляет 82 000 футов (25 000 метров).
Какое топливо используют самолеты?
В настоящее время существует четыре типа топлива для реактивных двигателей:
- Реактивное топливо А-1 или топливо для реактивных двигателей (керосин): оно используется в газотурбинных двигателях. Это соответствует международным стандартизированным комплексным спецификациям качества, чтобы соответствовать высоким требованиям авиационных двигателей, в которых оно используется.
- Jet B (смесь керосина и бензина): используется в военных самолетах. Смесь содержит примерно 65 % бензина и 35 % керосина и используется в регионах с особо низкими температурами. Это связано с тем, что он более легко воспламеняется (температура воспламенения 20°C и температура замерзания до -72°C).
- Avgas, или авиационный бензин, используется только в старых поршневых двигателях спортивных и небольших частных самолетов, которым требуется высокооктановое этилированное топливо. Автогаз стоит дорого, поэтому все чаще используется дизельное топливо и керосин. Рост цен является результатом низкого объема производства, длинных маршрутов поставок и сложного контроля качества.
- Биокеросин: это возобновляемая альтернатива, изготовленная из водорослей, масла ятрофы и т. д. Авиационная промышленность тестирует его в течение многих лет во время многочисленных полетов.
Забавные факты о самолетах
- Во время своего первого полета на двигателе братья Райт, пионеры авиации, преодолели расстояние чуть более 10 метров.
- Самый короткий полет в мире длится 27 секунд. Это маршрут между островами Уэстрей и Папа-Уэстрей, обслуживаемый шотландской региональной авиакомпанией Loganair.
- Самый длинный из существующих беспосадочных перелетов длится 15 часов 25 минут и охватывает 13 800 километров между Сиднеем (Австралия) и Далласом (США).
- Испанские пассажиры могут подать жалобу в течение 10 лет.
- Самый большой самолет из существующих на сегодняшний день — Ан-225′, длина которого составляет 88 метров. Он использовался для перевозки космического корабля «Буран». Самый маленький самолет CriCri с размахом крыльев 4,9 метра.
- В любую пятницу в июле и августе в воздухе может находиться от 16 000 до 20 000 самолетов.
- Среднее время задержки в аэропортах Европы составляет 30 минут.
- Номера 13, 17 и 666 не используются для аэропортов или самолетов, чтобы избежать каких-либо суеверий.
- Черный ящик на самолетах на самом деле красный, чтобы его было лучше видно.
- Самый высокий аэропорт — Даочэн Ядин (Китай) на высоте 4410 метров над уровнем моря, а самый низкий — Амстердам-Схипхол (Голландия) на высоте 3 метра ниже уровня моря.
- Взлетно-посадочная полоса в аэропорту Гибралтара пересекает дорогу общего пользования, которая перекрывается, когда самолет собирается приземлиться.
- Ресурсы
- Связаться с нами
- СТЕРЖЕНЬ
- Доступность
- Официальное уведомление
- Политика конфиденциальности
- Политика в отношении файлов cookie
- Твиттер
- Линкедин
- Фейсбук
- Инстаграм
- ТИК Так
- Пинтерест
- YouTube
Из каких материалов сделаны самолеты (и почему) – Приоритеты проектирования самолетов
Большинство людей в какой-то момент задаются вопросом, как самолеты могут летать, но задумывались ли вы когда-нибудь, из какого материала сделаны самолеты? Материалы, используемые для изготовления самолетов, крыльев, корпуса и кожи, имеют большое значение, когда речь идет об их надежности, и изучение этих материалов может быть интересным и увлекательным.
Содержание
- Из чего сделаны самолеты?
- Почему самолеты сделаны из алюминия
- У всех материалов есть свои плюсы и минусы
- Экономия веса превыше всего
- Приоритеты дизайна зависят от назначения самолета
- Что насчет самолетов меньшего размера?
Из чего сделаны самолеты?
Большинство самолетов изготовлено из титана, стали, алюминия и многих других материалов, включая композиты. Композиты могут содержать множество различных материалов, обычно включая полимеры, углеродное волокно и многое другое.
Эти металлы жесткие и прочные, а также устойчивы к коррозии и имеют малый вес. Это идеальные материалы для изготовления самолетов всех типов.
Редакционная группа Boeing 777 – Материалы, используемые в конструкцииПочему самолеты сделаны из алюминия
Поскольку сталь слишком тяжелая, чтобы ее можно было использовать отдельно, в некоторых самолетах, включая 787 Dreamliner производства Boeing, используется в два раза больше алюминия, чем в них.
стали в своих самолетах.
Некоторые производители добавляют такие материалы, как алюминий, к титану и другим сплавам, так как эти материалы могут быть очень дорогими в использовании сами по себе.
Например, в реактивном самолете Airbus A350 используется алюминиево-литиевый сплав, а многие фюзеляжи компании Boeing изготовлены из материалов, включающих различные полимеры.
У всех материалов есть свои плюсы и минусы
Поскольку каждый материал имеет свои преимущества и недостатки, многие самолеты на самом деле производятся с использованием различных типов авиационных материалов.
Например, многие самолеты Airbus и Boeing состоят как минимум на 50% из композитного материала, в то время как компания Rolls Royce PLC, производящая двигатели для самолетов, использует композиты, изготовленные из таких материалов, как керамика и пластик.
Различные материалы имеют разные сильные и слабые стороны.
На практике это означает, что самолет будет сделан из огромного количества различных материалов для таких частей, как крылья, фюзеляж, корпус и обшивка.
Как видите, авиакомпаниям не нужно довольствоваться только одним типом материала, потому что существует целый ряд материалов, доступных для использования, что означает безопасный и простой в управлении самолет, который также надежен.
Экономия веса превыше всего
Конечно, обычно используемые авиационные материалы состоят как из легких, так и из тяжелых компонентов, главным образом потому, что самолет должен летать и, следовательно, не может быть сделан из сверхтяжелых металлов. В частности, вес тела должен быть сведен к минимуму.
Рамы большинства самолетов также изготовлены из легкого алюминия и/или композитных материалов, которые часто включают пластик, армированный углеродом, или CREP.
По сути, большинство старых коммерческих самолетов сделаны в основном из алюминия, а в большинстве новых самолетов теперь используются композитные материалы.
Военные самолеты могут использовать легкий сплав, такой как титан.
Приоритеты проектирования зависят от назначения самолета
Кроме того, назначение самолета имеет большое значение в решении производителей использовать тот или иной тип металла, особенно металл, используемый в раме и корпусе самолета.
Что касается других деталей самолета, то поршень двигателя обычно изготавливается из стали, тогда как многие другие основные детали изготавливаются из алюминиевых сплавов. Сам двигатель обычно состоит из комбинации стали, алюминия и титановых сплавов.
В разработке самолета большую роль играют инженеры, потому что именно они дают рекомендации относительно подходящих авиационных материалов для конкретного самолета.
Размер самолета, назначение и другие аспекты помогают им определить, какие материалы использовать, потому что это единственный способ гарантировать, что самолет будет хорошо построен и надежен.
Как насчет самолетов меньшего размера?
Конечно, мы говорили в основном о больших коммерческих самолетах, но как насчет других типов самолетов? Интересно, что самые ранние самолеты редко изготавливались из таких материалов, как сталь и алюминий.
На самом деле, братья Райт использовали комбинацию дерева — в основном ясеня и ели — для изготовления первого самолета, и они использовали муслиновую ткань, чтобы покрыть его, когда строительство было завершено.
Редакционная группа The Wright FlyerСамый первый пассажирский самолет Ford Tri-Motor был сделан из алюминия в конце 1920-х годов, точно такой же, как сегодняшний Boeing 747. Самый быстрый реактивный самолет Lockheed SR71 Blackbird сделан из титана.
Еще больше причин, по которым титан добавляют в сталь при изготовлении самолетов:
- Он почти так же прочен, как сталь.
- Термостойкий.
- Устойчив к коррозии.
- Металл средней тяжести.
Кроме того, во многих интернет-магазинах можно приобрести самолеты в наборах для неспециалистов, которые собирают сами пилоты.
Эти самолеты могут быть изготовлены из дерева, включая пихту Дугласа и ситхинскую ель, деревянные соединения с фанерными вставками и авиационную ткань, которая обычно представляет собой какой-либо полиэстер, которым самолет покрывается после сборки.
Самолеты меньшего размера, такие как втулочные самолеты, могут быть изготовлены и из других авиационных материалов, включая дерево/композитные материалы и металл. Некоторые из этих самолетов включают Bowers Fly Baby, Pietenpol Air Camper, Ison miniMax, PIK-26 и серию самодельных самолетов KR.
Композитный материал, используемый в этих небольших самолетах, обычно состоит из ткани из стекловолокна или углеродного волокна или конструкционного пластика, такого как винилэфир или эпоксидная смола.