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铝助长征火箭轰然升天

2016-08-17 17:09:35 来源: 中国有色金属报

  世铝网讯 中国新一代中型运载火箭长征七号6月25日在新建成的海南省文昌航天发射场成功,标志着中国载人航天工程空间实验室任务顺利启动。长征七号火箭总长53.1m,起飞质量约597t,近地轨道运载能力13.5t,有4个助推器,直径2.25m,长约27m,以液氧-煤油作为燃料,无毒,因为煤油与氧燃烧时全部变为二氧化碳与水气,别无他物,芯极直径3.35m。长征七号火箭自身质量轻,结构和设备质量仅占总质量的10%,因此可以装更多的燃料,运送更多的“乘客”。

  整个火箭由整流罩、仪器舱、二级液氧箱、二级燃箱、助推锥头、助推液氧箱、一级液氧箱、一级煤油箱、助推煤油箱、一级尾段、且推尾段构成。

  铝合金对长征火箭的成功飞天起了决定性的作用,没有铝、火箭的顺利升天很难做到目前这样得心应手。液氧、液氢、煤油是火箭发动机的助燃剂与燃料。氧在1大气压与-182.97℃成为液体,氢在1大气压与-252.8℃变为液体。因此,贮存液氧与液氢的容器有良好的低温性能,我们知道,普通的结构钢与除铝以外的其他有色金属均有低温脆性,即它们的塑性与韧性均随着温度的降低而下降,可是铝合金则是一种非常好的低温合金,它的各项力学性能与加工成形性能地随着温度的下降而相应地均衡地上升。因此,铝合金是制造液氢、液氧贮存与运输容器的材料,它具有佳的综合性能:密度小,对航空航天器来说,这个性能显得非常重要与;无低温脆性;加工成形性好,相当高的力学性能;可回收性好;可焊接性优,特别易于摩擦搅拌焊等等。

  长征七号火箭的液氧箱、煤油箱是用什么材料制造的?

  可以肯定的是,是用铝合金制的。至于用的是什么铝合金,很可能是2219合金,因为它有良好的综合性能,同时国外发射火箭的液氢、液氧箱等都是用它焊接的。美国发射土星-阿波罗运载火箭的总质量约3000t,其中液氧的质量超过2000t,其贮存箱都是用2219合金焊接的。

  2219铝合金:航天材料之宝

  2219铝合金是一种Al-Cu-Mn-Ti-V-Zr系合金,现在已形成有4兄弟的大家族:2219、2319、2419、2519,2219合金诞生于上世纪50年代初,2519合金1985年注册,但是229合金经过近70来年的使用与考验宝刀不老,仍是一种主要的航天铝合金,发射火箭的低温燃料贮箱是用其板材焊接的,美国用摩擦搅拌焊(FSW)自动焊接,它们的化学成分见表1。

  2219型铝合金是为航空航天工业的发展研发的,是继7075合金之后的在常规航空航天铝合金研究方面一次较大的突破。由表1所列的成分可见,主要的合金化元素只有Cu,其含量比2024型合金的高得多,约高45%;第二个特点是,次要的合金元素多,有Mn、Ti、V、Zr,它们都是高熔点元素,可与铝形成难熔的二元化合物,如Al6Mn、Al3Ti、Al3Zr、Al3V等,这些元素都有细化铸锭晶粒作用,提高合金的再结晶温度;第三,杂质Fe、Si的含量低,除2519合金含0.05%~0.40%Mg外,镁在其他三个合金中也是杂质,Zn也算是一种杂质,由于Fe、Si含量低,所以形成的不溶杂质相很少,Mg与Zn全部固溶于Al,因此这些杂质对合金性能几乎没有影响或影响极微。我们可以把2219型合金看成是一种二元Al-Cu系合金,当然,由于次要的合金元素多,也可以把它看成是一种复杂的多元合金。

  合金的性能

  首先,2219合金是服役温度范围广的合金,可在低至-269℃的极低温度环境下使用,是一种的低温合金,它的各项力学性能随着温度的下降而同步均衡地上升,也可以在高达300℃高温环境中工作(表2),因此,它是一种工作温度范围宽达569℃的合金,比任何其他现行铝合金的应用范围都广,即是一种低温合金,又是一种高温合金,是一种牛的航空航天合金。

  有良好的可焊性,焊接时用2319合金焊条或焊丝,可获得高的焊缝强度,而在摩擦搅拌焊后,焊缝及热影响区的抗拉强度几乎与基体材料的相等,美国发射航天器火箭的液氧、液氢都是用此法焊接的,不用焊条或焊丝。

  2219合金的杂质含量低,是一个相当干净的合金,因而断裂韧性高,特别是短横向(厚度方向)的,T8状态合金有很高的抵抗应力腐蚀开裂能力,极为难能可贵,抗拉弹性模量E=73.8GN/m2,抗压弹性模量75.2GN/m2,泊松比为0.33。R.R.摩尔试验疲劳强度(循环次数5×108)103N/mm2。

  2219合金的热学性能:液相线温度643℃,低熔点共晶的开始熔化温度543℃,线膨胀系数如下:

  温度范围,℃  平均线胀系数,μm/(m·k)

  -50~+20         20.8

  20~100         22.5

  20~200         23.4

  20~300         22.4

  体胀系数6.5×10-5m3/(m3·k);20℃时比热容864J/(kg·K);热导率,O状状态的170W/(m·k),T31及T37状态的116W/(m·k),T62、T81、T87状态的为130W/(m·k);20℃的体积电导率:O状态的44%IACS,T31、T37、T351状态的28%IACS,T62、T81、T87、T851状态的为30%IACS。

  2219合金20℃时的电阻率:O状态的39nΩ·m,T31、T37、T351状态的62nΩ·m,T62、T81、T87、T851状态的57nΩ·m。状态材料的电阻温度系数皆为0.1nΩ·m/K(20℃)。

  2219合金的电位:在25℃的含53g Nacl及3g H2O3的水溶液中对0.1甘汞电极的电位,T31、T37、T351状态材料的-0.64V、T62、T81、T87、T851状态材料的-80V。

  2219合金的退火温度535℃,人工时效规范:165℃~190℃,18h~36h,具体人工时效温度及保温时间决定于所需状态。2219合金没有自然时效能力。

  2219合金的半成品种类有板、带、管、棒、型、线材与锻件,板、带材有包铝的,也有不包的,线材用于加工铆钉、焊条、焊丝。材料状态有:O、T42、T31、T351、T37、T62、T81、T851、T87.

  2219合金主要用于航空航天领域,生产这类合金的企业拥有生产这类材料的现代化成套装备与技术,美国在生产此类合金方面居水平。

  中国牛大火箭“长五”也将择机发射

  由中国航天科技集团公司研制的中国大火箭——长征五号运载火箭将于下半年完成首飞,据媒体报道,它是中国目前高度高、体积大、运载能力强的火箭。“长五”的特点是技术新与设计复杂,应用了247项核心技术,集成了多项新的航天技术,零部件新技术采用率几乎达到了100%,中国拥有自主知识产权。令人叹为观止的是,“长五”的总质量超过800t,其中-252℃的液氢和-183℃的液氧质量约占90%,即约有720t是液氧/煤油、液氢/液氧低温推进剂组合,无毒、的环保型的燃料,不过液氢温度低达-252℃,给动力装置结构设计带来了更大的挑战。液氢、液氧等燃料的容器无疑应是用不怕天寒地冻的2219铝合金板焊接的。长征五号火箭是中国迄今为止使用铝合金多的单种运载火箭。

  “长五”的首飞具体时间尚未终敲定,但是它的零部件数多达十三四万个,它的制造与发射除大大提升与进一步巩固中国运载火箭在航天界地位,还将加速中国由航天大国向强国转变进程。“长五”主要用于发射嫦娥五号、空间站核心舱与火星探测器,它们都是国家的重大空间工程。

  据称,“长五”在首飞后,将会被继续研制和系列生产,这也将会更有力地推动国内空间科学和空间应用产业发展,带动多领域科学与技术进步,促进成升上万个企业,乃致国民经济的转型升级和国防建设的加强,铝产业将是主要受益者之一。(王祝堂)

(责任编辑:静水)