Аэрокосмические материалы

Аэрокосмические материалы — это материалы, часто металлические сплавы , которые либо были разработаны, либо получили известность благодаря их использованию в аэрокосмических целях.

Эти виды использования часто требуют исключительных характеристик, прочности или термостойкости, даже за счет значительных затрат на их производство или механическую обработку. Другие выбираются за их долгосрочную надежность в этой области, где важна безопасность, особенно за их устойчивость к усталости .

Область инженерии материалов является важной в аэрокосмической технике . Его практика определяется по стандартизации. международными органами ^[1] которые поддерживают стандарты для используемых материалов и процессов. ^[2] Инженеры в этой области часто могли получить ученую степень или последипломное образование по этой специальности. ^[3]

История

Эдвардианский период

Первыми аэрокосмическими материалами были давно известные и часто встречающиеся в природе материалы, которые использовались для создания первых самолетов. В их число входили такие обыденные материалы, как древесина для конструкций крыльев, а также ткань и клей для их покрытия. Их качество имело первостепенное значение, поэтому древесина должна была быть тщательно отобранной ситкинской ели , а покрытие - ирландским льном . Для выбора, производства и использования этих материалов требовались стандарты. Эти стандарты были неофициально разработаны производителями или правительственными группами, такими как HM Balloon Factory , позже ставшая RAE Farnborough , часто при содействии инженерных факультетов университетов.

Следующим этапом в развитии аэрокосмических материалов стало внедрение недавно разработанных материалов, таких как дюралюминий, первый , упрочняемый старением алюминиевый сплав . Эти предлагаемые атрибуты ранее были недоступны. Многие из этих новых материалов также требовали изучения, чтобы определить степень этих новых свойств, их поведение и способы их наилучшего использования. Эта работа часто проводилась через новые финансируемые государством национальные лаборатории, такие как Reichsanstalt (Немецкий Имперский институт). ^[4] или Британская национальная физическая лаборатория (NPL).

Первая мировая война

НПЛ также создала, пожалуй, первый специально разработанный аэрокосмический материал — сплав Y. ^[5] Этот первый из никель-алюминиевых сплавов был открыт после серии экспериментов. ^[6] во время Первой мировой войны целенаправленно занялся поиском лучшего материала для изготовления поршней для авиационных двигателей .

Межвоенный период

В период между войнами многие аэрокосмические инновации касались производственных процессов , а не просто более прочных материалов, хотя они тоже выиграли от улучшенных материалов. В один из сплавов RR , RR53B, был добавлен кремний, который улучшил его текучесть при плавлении. Это позволило использовать его для таких применений, как литье под давлением, а также предшествующее литье в песчаные формы , способ производства деталей, которые были намного дешевле, а также более точными по форме и отделке. Лучший контроль над их формой позволил дизайнерам придать им более точную форму для своих задач, в результате чего детали стали тоньше и легче.

Многие межвоенные разработки касались авиационных двигателей , которые извлекли выгоду из огромных улучшений, внесенных в растущую автомобильную промышленность. Хотя это и не является строго «аэрокосмической» инновацией, использование тугоплавких сплавов, таких как Stellite и Brightray, для наплавки выпускных клапанов дало огромный выигрыш в надежности авиационных двигателей. ^[7] Это само по себе стимулировало коммерческие полеты на большие расстояния, поскольку новые двигатели были достаточно надежными, чтобы их можно было считать безопасными для длительных полетов через океаны или горные хребты.

Вторая мировая война

Авиалайнер «Де Хэвилленд Альбатрос» 1936 года имел фюзеляж деревянной сэндвич-конструкции: пластины березовой фанеры были разделены бальзовым листом. Эта же конструкция прославилась благодаря использованию ее во время войны в быстроходном бомбардировщике « Москит» . Помимо того, что он имел легкий вес и высокую производительность, он также избегал использования алюминия, стратегического материала во время войны, и мог использовать навыки столяров, а не специалистов по металлообработке самолетов. Когда Германия попыталась скопировать этот самолет как « Москито», она потерпела неудачу, прежде всего по материальным причинам. Оригинальный фенольный пленочный клей Tego производился только на заводе, разрушенном бомбардировкой. Его замена привела непосредственно к катастрофическим отказам и гибели самолета.

Радар стал достаточно маленьким, чтобы его можно было носить на борту самолета, но хрупкие рупоры и отражатели необходимо было защитить и обтекать от воздушного потока. Формованные обтекатели были изготовлены из акрилового пластика Perspex , который уже использовался для окон кабины. Его можно нагреть, чтобы размягчить, а затем отлить в форму или вакуумировать для придания формы. Другие полимеры, разработанные в это время, особенно нейлон , нашли применение в компактном радиооборудовании в качестве высоковольтных изоляторов или диэлектриков .

Сотовые конструкции были разработаны в виде плоских сэндвич-листов, используемых для переборок и настила. Они давно создавались из дерева и картона, но для использования в аэрокосмической отрасли требовался более прочный материал. Это было достигнуто к концу войны с помощью полностью алюминиевых сотовых сэндвичей.

Послевоенный

Новые материалы

Новые легкие материалы включают композиты с керамической матрицей , композиты с металлической матрицей , полимерные аэрогели и нити УНТ , а также эволюцию полимерных композитов . ^[8] Эти легкие материалы уступили место более прочным и надежным конструкциям, сокращению сроков производства и увеличению соотношения мощности к весу .

Маркетинг за пределами аэрокосмической отрасли

Термин «аэрокосмический класс» стал модным маркетинговым лозунгом для товаров класса люкс, особенно автомобилей и спортивных товаров . Велосипеды , клюшки для гольфа , парусные яхты и даже фонарики продаются из высококачественных материалов, независимо от того, актуальны они или нет. С момента своего появления в 1979 году компания Maglite рекламировала использование алюминия 6061 для изготовления корпусов фонарей, одна из первых компаний, которая намеренно использовала аэрокосмические материалы по причине неэффективности.

В некоторых спортивных целях использовались реальные качества материала. Многие производители лыж производят лыжи полностью из композитных материалов из ткани и смолы, используя возможность адаптации такой конструкции для изменения жесткости, демпфирования и крутильной жесткости лыж по их длине. Hexcel , производитель алюминиевых сотовых листов, стал хорошо известен благодаря своим фирменным лыжам, в которых используется тот же самый современный материал.

Использование в спортивных целях может быть столь же требовательным, как и потребности аэрокосмической отрасли. В частности, при велоспорте материалы могут подвергаться более высокой нагрузке, чем при использовании в аэрокосмической отрасли, причем риск возможного отказа считается более приемлемым, чем для самолетов.

Многие виды использования аэрокосмических материалов для производства спортивных товаров стали результатом « дивидендов мира ». После Второй мировой войны сплав гидуминиума появился в компонентах велосипедных тормозов. ^[9] поскольку его производитель стремился расширить новые рынки, чтобы заменить свои предыдущие военные самолеты. В 1990-х годах как плавильщики, так и переработчики титана искали новые невоенные рынки после окончания Холодной войны , находя их как в велосипедных рамах , так и в клюшках для гольфа.

Композит из углеродного волокна и его характерный рисунок переплетения стали популярным декоративным выбором для автомобилей и мотоциклов, даже в чисто декоративных целях, таких как приборные панели. Это распространилось на использование гибкого винила с наклеенным рисунком для скевоморфного воспроизведения внешнего вида без каких-либо физических свойств.

Ссылки

^ «Отдел аэрокосмических материалов» . САЭ Интернешнл .
^ «Стандарты на аэрокосмические материалы» . АСТМ .
^ «Магистр аэрокосмических материалов» . Университет Шеффилда . Архивировано из оригинала 27 февраля 2011 г.
^ Магнелло, Эйлин (2000). Век измерений: история Национальной физической лаборатории . ХМСО . п. 16. ISBN 0-9537868-1-1 .
^ Хиггинс, Раймонд А. (1983). Часть I: Прикладная физическая металлургия (5-е изд.). Ходдер и Стоутон . стр. 435–438. ISBN 0-340-28524-9 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )
^ Эксперимент «Y» из серии, давший сплаву название.
^ Клинтон, Арнольд КАФРАС. (1938). Механические операции на двигателе «Бристоль Меркурий» . Аэроинжиниринг. Том. II, часть 1. Джордж Ньюнс . стр. 378–383.
^ Ричард Коллинз, IDTechEx (1 августа 2018 г.). «Из лаборатории в самолет: новые материалы делают самолет легче» . Интерьеры самолетов .
^ Хилари Стоун. «Тормоза GB (Компоненты цикла Джерри Берджесса, 1948)» .

[1] «Отдел аэрокосмических материалов» . САЭ Интернешнл .

[2] «Стандарты на аэрокосмические материалы» . АСТМ .

[3] «Магистр аэрокосмических материалов» . Университет Шеффилда . Архивировано из оригинала 27 февраля 2011 г.

[4] Магнелло, Эйлин (2000). Век измерений: история Национальной физической лаборатории . ХМСО . п. 16. ISBN 0-9537868-1-1 .

[Higgins,_Engineering_Metallurgy,_Y_alloy-5] Хиггинс, Раймонд А. (1983). Часть I: Прикладная физическая металлургия (5-е изд.). Ходдер и Стоутон . стр. 435–438. ISBN 0-340-28524-9 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

[6] Эксперимент «Y» из серии, давший сплаву название.

[7] Клинтон, Арнольд КАФРАС. (1938). Механические операции на двигателе «Бристоль Меркурий» . Аэроинжиниринг. Том. II, часть 1. Джордж Ньюнс . стр. 378–383.

[8] Ричард Коллинз, IDTechEx (1 августа 2018 г.). «Из лаборатории в самолет: новые материалы делают самолет легче» . Интерьеры самолетов .

[9] Хилари Стоун. «Тормоза GB (Компоненты цикла Джерри Берджесса, 1948)» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]