航天器结构与机构大作业.docx

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航天器结构与机构大作业

2014年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目

:

航天器结构与机构

学生所在院（系）

：

机电工程学院

学生所在学科

:

航空宇航制造工程

学生姓名

:

徐昊

学号

:

13S108131

学生类别

:

硕士

考核结果

阅卷人

铝合金、镁合金在航天器上的应用实例

摘要：

随着中国航天事业的发展，未来的航天器将朝着长寿命、大型化、高承载、轻量化、高尺寸稳定性，以及耐受复杂空间环境等方向发展，其中离不开材料的发展。

本文就其中应用比较广泛的铝合金和镁合金，对其在航天器中的应用实例进行介绍。

关键词：

铝合金；镁合金；航天器；应用

Abstract:

WiththedevelopmentofChina'sspaceindustry,futurespacecraftwillbetowardsalonglife,large-scale,highload,lightweight,highdimensionalstability,aswellaswithstandthespaceenvironment,suchasthedirectionofthecomplex,whichisinseparablefromthematerialdevelopment.Inthispaper,inwhichthebroaderapplicationofaluminumandmagnesiumalloys,theirspacecraftapplicationexamplesareintroduced.

Keywords:

aluminum;magnesiumalloy;spacecraft;application

1引言

航天器又称空间飞行器、太空飞行器。

按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。

由于航天器工作环境的特殊性（发射环境和空间环境），对于航天器结构材料的要求与对常规机械产品材料的要求有很大区别，即使与航空结构材料也有所不同。

因此航天器对材料性能的基本要求有如下几方面。

（1）轻量化要求。

为了提高航天器性能，降低发射成本，确保航天器进入规定的空间轨道，对航天器的质量，特别是对航天器结构的质量有严格限制。

因此必须采用轻型材料，即采用密度尽量低的材料。

（2）机械性能要求。

为了提高结构和机构的自然频率，防止在发射时引起过大的动态响应载荷和保证航天器姿态控制系统的正常运行，以及为了提高航天器薄壁结构在发射压缩载荷下的稳定性，均需要提高结构和机构的刚度，而最有效的途径是采用弹性模量高的材料。

另外，为了更好地承受载荷，需要采用强度高的材料。

根据高模量、高强度的要求与上述低密度要求相结合，需要采用比模量（材料弹性模量与密度之比）高和比强度（材料强度与密度之比）高的材料。

其中，高比模量的要求是航天器结构材料的重要特征。

（3）物理性能要求。

根据航天器结构的不同需求，对材料的物理性能有各种不同要求。

如果需要在空间温度变化条件下保持尺寸稳定的结构（如天线结构），希望材料具有较小的热膨胀系数。

一般结构要求材料有较高的比热和热导率，使温度分布比较均匀，以避免过高的温度应力或变形。

但有时由于热控或防热需要,要求结构兼有隔热作用，则应采用热导率低的材料。

为此，应根据电性能对结构的特殊要求，采用导电材料或绝缘材料。

（4）耐空间轨道环境要求。

对于长期在轨道运行的航天器结构材料，尤其是对于直接暴露在空间的航天器外部的结构材料，要求材料具有良好的空间环境稳定性，包括在真空、温度交变、紫外辐照、电子辐照、原子氧等环境下性能材料的稳定性。

（5）材料真空出气要求。

在空间真空环境下，材料出气不仅可能降低材料的性能，更重要的是污染了邻近的光学、热控或电气设备表面。

所以，对航天器结构材料应提出限制真空出气的要求。

一般规定为：

材料的总质量损失（TML）不得大于1%，收集到的可凝挥发物（CVCM）不得大于0.1%。

（6）制造工艺性能要求。

航天器结构材料要通过各种制造工艺手段才能形成结构和机构产品，特别是对于复合材料制品，制造过程也就是材料形成的过程。

因此，材料的制造工艺性能非常重要，制造工艺性能的好坏将直接影响到材料性能的发挥程度，甚至可能决定材料的实际使用价值。

适合上述航天器结构材料要求的金属材料中，镁、铝合金的应用最为广泛，它们的特性表现为：

（1）铝合金，其主要特点是密度低，有较好的比模量和比强度值，导热性和导电性良好；抗腐蚀性能好；制造工艺性能良好；在所有轻金属材料中成本最低廉。

铝合金的工作温度一般不超过200~300

但低温性能很好，随着温度下降，强度和塑性还有所增加。

（2）镁合金。

其主要特点是密度低，有较好的比模量和比强度值；导热性和导电性良好；减振能力好，可承受较大的冲击载荷；制造工艺性能良好。

但镁合金具有在大气环境下不耐腐蚀的缺陷。

一般说，镁合金的长期工作温度不超过150

。

2铝合金在航天器上的应用

由于上述铝合金材料的一系列长处，在过去和现在一直是航天器的主要结构材料之一，被大量使用。

特别是由于铝合金蜂窝夹层结构的应用，大大提高了航天器结构的刚度和降低了质量，因而使铝合金在航天器结构和机构上得到了广泛的应用，例如，大量应用于航天器舱体结构、各种承载壁板结构、各种仪器安装板、连接法兰和密封容器等。

铝合金在飞机上主要是用作结构材料，如：

蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱等。

铝合金在航天航空中的应用开发可分为几个阶段：

50年代主要目标是减重和提高合金比刚度、比强度；60～70年代主要目标是提高合金耐久性和损伤容限，开发出7XXX系合金T73和T76热处理制度、7050合金和高纯合金；80年代由于燃油价格上涨而要求进一步减轻结构重量；90年代至今，铝合金的发展目标是进一步减重，并进一步提高合金的耐久性和损伤容限。

例如开发出高强、高韧、高抗腐蚀性能的新型铝合金，大量采用厚板加工成复杂的整体结构部件代替以前用很多零件装配的部件，不但能减轻结构重量，而且可保证性能的稳定。

要实现这一点要开发出低内应力的厚板材料。

2.1铝合金铸件

在现代飞行器结构件中，利用了几千种铝铸件，根据飞行器不同的使用条件和部位，主要用了三种基本的铝合金：

高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金。

高强铝合金主要用于飞行器主题部件、发动机舱等，在大多数情况下可替代铝模锻件。

耐热铝合金零件主要用于靠近发动机的系统部件，此处的温度可达到几XX。

与普通结构合金和高强合金相比，该合金具有合金化程度高的优点，属铝-铜-镍系合金。

耐蚀铝合金具有足够高的性能指标，其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好，主要具有耐蚀性。

它属于铝-镁系合金和铝-镁-锌系合金。

2.2铝合金大型挤压型材

随着科学技术的进步，铝合金型材正向着大型化、整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化方向发展，应用范围已由民用型材料推广到航天航空用型材，大型型材的主要特点有：

①大型化和整体化；②薄壁化和轻量化；③断面尺寸和形位公差精密化；④组织性能的均匀化与优质化。

由于大型型材具有以上特点，给挤压加工带来了一系困难。

航天航空用大型挤压型材主要有：

整体带筋壁板、工字大梁、机翼大梁、梳状型材、空心大梁型材等。

主要用作宇宙飞船等飞行器的受力结构部件等。

大型挤压型材常用合金有：

①低强度铝合金：

工业纯铝、3A21、5005、5A02、5A03、5086等热处理后不强化，其半成品在退火状态下和冷作硬化后使用。

②中强度铝合金分为两组：

热处理不可强化铝合金（5A05、5A06、5B06）和热处理可强化铝合金（6A02、2A70、2A06）等。

③高强度铝合金7A04和2A12在热处理时可急剧强化。

2.3铝合金厚板

铝合金厚板是现代航天工业重要的结构材料，目前发达国家铝工业界不断开发出性能优异的新型铝合金厚板，其中有以下几种常用合金，其一是7075-T7651铝合金厚板，它具有高的强度、良好的韧性、抗应力性能和抗剥落腐蚀性能，它属于铝-锌-镁-铜系超硬铝合金，其广泛应用于飞行器框架、整体壁板、蒙皮等。

其二是7055超硬铝合金，它是目前变形铝合金中强度最高的合金，美国铝业公司生产的7075-T77合金板材强度比7150的高出10％，比7075高出30％，而且断裂韧性较好，抗疲劳裂纹扩展能力强。

铝合金厚板作为航天用材料具有很好的综合性能，但也存在淬火残余应力，残余应力的存在严重影响着材料的后续加工及其应用，尤其是用作承受交变载荷的结构件或在腐蚀环境下工作时，残余应力是造成材料过早失效甚至造成严重事故的一个主要原因。

因此研究消除残余应力的方法是十分重要的。

2.4铝锂合金的应用

铝锂合金材料是近年来航天材料中发展最为迅速的一种先进轻量化结构材料，具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等诸多优异的综合性能。

用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%，因此，在航天领域显示出了广阔的应用前景。

近年来，国内外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟，因此在航天器的设计与制造中大量使用了铝锂合金，如“奋进号”航天飞机的外贮箱（图1）、“天宫一号”的资源舱和太阳电池翼（图2）。

图1奋进号航天飞机与外储箱

图2天空一号

据统计，每减轻1kg结构重量可以获得10倍以上经济效益，所以密度较低的铝锂合金受到航天工业的广泛重视。

铝锂合金已在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。

其中，美国的应用发展非常快，在航天工业上的应用尤为突出。

洛克希德·马丁公司利用8090铝锂合金制造了“大力神”号运载火箭（图3）的有效载荷舱，减重182kg。

1994年，为解决“奋进号”航天飞机外贮箱的超重问题，洛克希德·马丁公司联合雷诺兹金属公司研发出新型2195材料以取代之前的2219合金。

该合金的密度比2219合金的轻5%，而其强度则比后者高30%。

采用2195制造的整体焊接结构贮箱，减轻重量3405kg，其中液氢箱减重1907kg，液氧箱减重736kg，直接经济效益近7500万美元，因此被称为超轻燃料贮箱（SuperLightWeightTank）。

俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用方面也一直处于领先地位，为提高载荷能力，航天飞机的外燃料贮箱便采用铝锂合金制成，“能源号”运载火箭（图4）的低温贮箱是采用1460铝锂合金制成。

图3大力神系列运载火箭

图4“能源号”运载火箭

3镁合金在航天器上的应用

镁合金具有密度小（1.82g/cm3）、比强度高的优势，近年来出现的高强镁合金能将镁合金的抗拉强度提高到590MPa，比强度的优势更加明显。

所以，镁合金在航天器结构中也有一定的应用价值，而且镁合金多为铸造镁合金，主要用于重量敏感的部位，已作为国内航天器舱体的底板，支承大梁等。

但是铸造镁合金的强度偏低，铸造大型结构件时的成品率也比较低，阻碍了其应用范围的进一步扩大。

由于镁合金的抗腐蚀能力差，在产品设计、制造、使用、储存等方面均带来诸多不便。

而且总的性能与铝合金相比并无特别的优越之处。

因此目前镁合金在国外较铝合金材料要少。

北京卫星制造厂近年开展了大量的技术攻关和设备改造，突破了大型镁合金表面的防腐处理、机械加工、焊接技术，实现了大型镁合金结构件在多个航天器上的应用。

图5所示为正在整体加工的大型镁合金结构件。

图5实现整体加工的大型镁合金结构件

3.1镁合金在航天器电子产品中的应用

镁合金不但质量密度低，而且具有很强的电磁屏蔽和抗辐照的能力，因此，很适合用作航天器电子产品的机箱材料，以替换目前应用广泛的铝合金材料，达到电子产品减重的目的。

对于电子产品的镁合金