Защо алуминият носи корпуса на самолета
Търговската конструкция на самолета все още е предимно алуминиева по маса. Причината не е едно свойство, а комбинация: плътност от около 2,7 g на кубичен сантиметър, якост на опън над 400 MPa при температури с по-висока якост, добра устойчивост на умора, когато се разбира спектърът на натоварване, и производствена база, която има десетилетия опит в формоването, машинната обработка и занитването. Композитните конструкции заемат все по-голям дял от първичната структура, но алуминият продължава да доминира в обшивката на фюзелажа, стрингерите, рамите, ребрата и голяма част от структурата на крилото, където заздравените метални панели са ефективни и толерантни към повреди.
Основните семейства сплави на корпуса на самолета
| Сплав | семейство | Типични нрави | Роля на корпуса на самолета |
|---|---|---|---|
| 2024 | Al-Cu-Mg | T3, T351, T42 | Обшивка на фюзелажа и структура,-доминирана от опън |
| 7075 | Al-Zn-Mg-Cu | T6, T73, T7351 | Лонгове, фитинги, високоякостни елементи |
| 7050 | Al-Zn-Mg-Cu | T7451 | Дебели секции, където здравината в дълбочина има значение |
| 2219 | Al-Cu-Mn | T81, T87 | Високотемпературни и заваряеми конструкции |
| 6061 | Al-Mg-Si | T6, T651 | Вторична конструкция, скоби, фитинги |
Ограниченията на състава и свойствата за тези класове са публикувани в ASTM B209 за листове и плочи, като 2024 и 7075 обикновено се цитират при минимални якости на опън от около 470 MPa и 570 MPa съответно в температурите, посочени по-горе. Компромисът-на масата винаги е здравина срещу здравина и устойчивост на корозия: 7075 в T6 е най-здравият от групата, докато T73 и T7451 с прекомерна температура жертват известна сила, за да подобрят устойчивостта на корозионно напукване при напрежение и да повишат якостта на счупване.
Температура, надморска височина и криогенно поведение
Условията на круиз поставят корпуса на самолета при ниска температура и ниско налягане, а алуминият се справя добре и с двете. Коефициентът на термично разширение на тези сплави е около 23 милионни на градус по Целзий, което е добре характеризирано и отчетено при монтажа и дизайна на уплътнението, а не като ограничаващ фактор. Алуминиевите сплави запазват полезна здравина при криогенни температури, поради което отдавна се използват за криогенни резервоари, а топлопроводимостта в диапазона от 120 до 190 вата на метър-келвин помага за разпределянето на топлината от горещите зони в околната структура. Теглото, спестено в корпуса на самолета, се превръща директно в изгаряне на гориво, така че всеки килограм, изваден от конструкцията, има комбинирана полза през живота на самолета.
Двигатели, топлина и заместване на материали
Алуминият не е високотемпературен материал. Над приблизително 120 до 150 градуса по Целзий започва да губи сила, а точката на топене на обикновените сплави е близо до 660 градуса по Целзий. Поради това в инсталациите на двигателя алуминият се появява в студения край: перките на вентилатора в кована форма, корпусите на компресорите, корпусите на скоростната кутия и опорите на аксесоарите, докато горещият участък използва никелови и титанови сплави. Алуминизирани термични одеяла и отразяващи фолиа се използват около гондолите и спомагателните захранващи блокове за намаляване на лъчистата топлина, достигаща до алуминиева структура, а топлинните щитове използват отразяващата способност и проводимостта на метала, а не неговата здравина.
Умора, присъединяване и възстановяване в-край-живота
Дизайнът на умора управлява повечето детайли на корпуса на самолета. Спектърът на натоварване е дефиниран, концентрациите на напрежение в отворите на крепежните елементи се контролират чрез студена обработка и напасване, а интервалите на проверка се задават от данни за растеж на пукнатини, а не от проста граница на издръжливост. Нитовете и болтовете остават доминиращите методи за свързване на алуминиеви конструкции, тъй като те избягват засегнатата от топлина-зона, която заваряването би създало в сплав с висока якост, втвърдена-на възраст. В края на експлоатационния живот корпусът на самолета се разглобява и алуминиевата фракция се отделя и претопява; алуминиевите сплави запазват своята легираща стойност при претопяване, така че възстановеният метал на корпуса на самолета се подава обратно във вторични сплави и в нови ковани продукти в зависимост от практиката на разделяне.
Често задавани въпроси
Q:Защо 7075 не се използва за обшивка на фюзелажа?
A: 7075 е по-силен, но има по-ниска якост и по-слаба устойчивост на корозия под напрежение в състояние T6, така че обвивките обикновено се правят от сплави тип 2024 с по-добра толерантност към повреди.
Q:Какво променя характерът на T73?
О: Това е обработка с прекомерно отлежаване, прилагана към сплави 7xxx, която леко намалява якостта, но значително подобрява устойчивостта на корозионно напукване под напрежение и повишава якостта на счупване.
Q:Подлежат ли на рециклиране алуминиеви корпуси?
A: Да. Алуминият запазва легиращото си съдържание при претопяване, а демонтираните самолетни конструкции са признат източник на скрап с висока стойност, след като покритията и смесените материали бъдат разделени.
Q:Може ли алуминият на корпуса на самолета да бъде заваряван вместо нитован?
О: Някои заваряеми класове, като 2219, се съединяват чрез заваряване, но втвърдените със стареене кори с висока якост обикновено се занитват, тъй като заваряването влошава термично-засегнатата зона.
Q:Защо алуминият се справя толкова добре с ниските круизни температури?
О: Тези сплави запазват здравина и издръжливост при ниска температура и тяхното топлинно разширение е добре охарактеризирано, така че студеното накисване е по-скоро проектно входящо, отколкото ограничение на материала.
Q:Какво ограничава алуминия в приложенията на двигателя?
A: Работна температура. Силата пада над около 150 градуса по Целзий, така че алуминият е ограничен до студените секции на двигателя и структурата на самолета.