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航天器的制造,需要什么样的材料才可以保证能够冲破地球大气层?

天文在线2019/05/20 09:11:37

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铝道网】在天文学家看来航天器设计的关键在于钛、铝和镁等超轻耐用合金的广泛使用。

航天器的制造,需要什么样的材料才可以保证能够冲破地球大气层?

铝—使用*广泛的传统材料(用于肼和一氧化二氮推进剂罐),密度低,比强度良好,可焊接,还可通过挤压、铸造、机器加工等成型,价格低廉且随处可得,没有极端的绝 对强度,熔点较低(933K)镁—硬度高,比强度良好,延展性比铝差,因为具有化学活性所以需要表面涂层(这也导致了它的生产成本更高)。

钛—熔点在1933F,重量轻,比强度高。硬度高于铝(但还没有达到钢的硬度),耐腐蚀,耐高温,比铝、铁更脆(韧性低),难于获取,性能不如铝(比不锈钢的价格贵六倍)。用于压力罐、燃料罐和高速交通工具的涂料

铁合金的不锈钢--有着高强度、高刚度、耐腐蚀,能够承受1200K的高温。尽管它是高密度但是便宜,还是在航天器上被广泛使用(螺钉、螺栓等几乎都是钢的)

奥氏体钢—不具有磁性,没有脆性转变温度,可焊接且易于加工,价格便宜且可以广泛获取,易发生氢脆(氢原子吸附到晶格中会使合金变脆)。被用于航天器的推进和低温系统。

铍—*坚硬的天然物质(金属铍不是天然存在的,但是它的化合物是存在的),低密度,高比强度,耐高温。它价格昂贵也有毒性(对人体组 织有腐蚀性且有致癌性)。铍是低原子序数,对X射线是可穿透性的,纯的金属铍已用于制造火箭喷管。

镍钴合金—适用于高温环境例如隔热罩和火箭喷嘴。该合金还拥有比钢还要高的密度(8200公斤每立方米)。铝锂合金—强度和铝相似,但是轻了几个百分点。钛铝合金—比较脆,但是重量轻,耐高温。

在不远的将来,我们可以使用塑料和各种混合材料的合成物,例如金属基复合材料,可以极大地降低飞行器的重量这样可以极大地降低发射成本。事实上除了航天器外层舱壁,碳纤维技术已经被用于替代用于做飞行器组件。出于航天器飞行时面对巨大的温度和压力,外层舱壁仍然是用金属钛、铝或其他常规金属和合金制成。B2隐形轰炸机的机翼是用碳纤维材料制成,但是相对于航天器发射时承受的压力和从太空再次返回到大气层时承受的热量相比都小很多。

纤维增强材料例如碳、芳纶和玻璃复合材料在工程材料中都具有*高的强度和刚度-重量比。这样适用于航天器、航空航天和高速机器等应用场景,这些特性可以提供高效和高性能的系统。例如碳纤维复合材料五倍于同等重量的钢的强度,这样允许更轻的结构以达到相同的性能水平。此外,碳和芳纶的复合材料具有接近于零的热膨胀系数,这样使它们在超精密光学平台和尺寸稳定天线设计时必不可少。一些碳纤维在所有材料中具有*高的导热率,这样允许它们作为电子和航天器应用中的散热元件。

甚至碳纳米管和纤维也正在考虑用于航天器和火箭技术中,所以在这个激动人心的领域还有很多值得期待的东西。航天器每轻一磅就可以节省5000美元(约合人民币4万元)的发射成本。这意味着,如果你用一磅新类型的合金替换一磅铝,你将可以重新获得每磅近5000美元的发射资金,因为铝仅占5000美元的百分之一!

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