Aluminiumlegierung für Raketentreibstofftank
Strukturmaterialien stehen in engem Zusammenhang mit einer Reihe von Aspekten wie dem Design der Raketenkörperstruktur, der Fertigungs- und Verarbeitungstechnologie, der Materialaufbereitungstechnologie und der Wirtschaftlichkeit und sind der Schlüssel zur Bestimmung der Startqualität und Nutzlastkapazität der Rakete. Entsprechend dem Entwicklungsprozess des Materialsystems kann der Entwicklungsprozess von Materialien für Raketentreibstofftanks in vier Generationen unterteilt werden. Die erste Generation sind Aluminiumlegierungen der 5er-Reihe, d. h. Al-Mg-Legierungen. Die repräsentativen Legierungen sind die Legierungen 5A06 und 5A03. Sie wurden Ende der 1950er Jahre zur Herstellung von Strukturen für Raketentreibstofftanks P-2 verwendet und werden noch heute verwendet. 5A06-Legierungen enthalten 5,8 % bis 6,8 % Mg, 5A03 ist eine Al-Mg-Mn-Si-Legierung. Die zweite Generation sind Legierungen der 2er-Reihe auf Al-Cu-Basis. Die Tanks der chinesischen Trägerraketen der „Langer Marsch“-Serie bestehen aus der Legierung 2A14, einer Al-Cu-Mg-Mn-Si-Legierung. Seit den 1970er Jahren verwendet China die Legierung 2219, eine Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti-Legierung, die häufig bei der Herstellung verschiedener Tanks für Trägerraketen verwendet wird. Gleichzeitig wird sie auch häufig für die Konstruktion von Niedertemperatur-Kraftstofftanks für Waffenstarts verwendet. Diese Legierung zeichnet sich durch hervorragende Niedertemperatureigenschaften und umfassende Leistung aus.
Aluminiumlegierung für Kabinenstruktur
Seit der Entwicklung von Trägerraketen in China in den 1960er Jahren bis heute werden bei den Aluminiumlegierungen für die Kabinenstruktur von Trägerraketen vor allem Legierungen der ersten und zweiten Generation verwendet, die durch 2A12 und 7A09 repräsentiert werden. Im Ausland sind hingegen Aluminiumlegierungen der vierten Generation für die Kabinenstruktur (Legierung 7055 und Legierung 7085) auf den Markt gekommen, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Abschreck- und Kerbempfindlichkeit breite Anwendung finden. 7055 ist eine Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Legierung, und 7085 ist ebenfalls eine Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Legierung, allerdings ist der Gehalt an Fe- und Si-Verunreinigungen sehr gering und der Zn-Gehalt mit 7,0–8,0 % hoch. Die Al-Li-Legierungen der dritten Generation, repräsentiert durch 2A97, 1460 usw., werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihres hohen Elastizitätsmoduls und ihrer hohen Dehnung in der ausländischen Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.
Partikelverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Festigkeit aus und können als Ersatz für 7A09-Legierungen bei der Herstellung von Semi-Monocoque-Kabinenstringern verwendet werden. Das Institute of Metal Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das Harbin Institute of Technology und die Shanghai Jiaotong University haben viel Arbeit in die Erforschung und Herstellung partikelverstärkter Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe gesteckt und bemerkenswerte Erfolge erzielt.
Al-Li-Legierungen, die in der ausländischen Luft- und Raumfahrt verwendet werden
Die erfolgreichste Anwendung bei ausländischen Luft- und Raumfahrzeugen ist die von Constellium und dem Quebec RDC entwickelte Weldalite Al-Li-Legierung, einschließlich der Legierungen 2195, 2196, 2098, 2198 und 2050. Legierung 2195: Al-4,0Cu-1,0Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, die erste Al-Li-Legierung, die erfolgreich für die Herstellung von Niedertemperatur-Kraftstofftanks für Raketenstarts kommerzialisiert wurde. Legierung 2196: Al-2,8Cu-1,6Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, geringe Dichte, hohe Festigkeit, hohe Bruchzähigkeit, ursprünglich für Rahmenprofile von Hubble-Solarmodulen entwickelt, wird heute hauptsächlich zum Extrudieren von Flugzeugprofilen verwendet. 2098-Legierung: Al-3,5 Cu-1,1Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, ursprünglich für die Herstellung von HSCT-Rümpfen entwickelt, wird heute aufgrund seiner hohen Dauerfestigkeit im Rumpf des Kampfflugzeugs F16 und im Treibstofftank des Raumfahrzeugs Falcon verwendet. 2198-Legierung: Al-3,2Cu-0,9Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, wird zum Walzen von Blechen für Verkehrsflugzeuge verwendet. 2050-Legierung: Al-3,5Cu-1,0Li-0,4Mg-0,4Ag-0,4Mn-0,1Zr, wird zur Herstellung von dicken Platten verwendet, die dicke Platten aus der Legierung 7050-T7451 für die Herstellung von Strukturen für Verkehrsflugzeuge oder Raketenstartkomponenten ersetzen. Im Vergleich zur Legierung 2195 ist der Cu+Mn-Gehalt der Legierung 2050 relativ niedrig, um die Abschreckempfindlichkeit zu verringern und die hohen mechanischen Eigenschaften der dicken Platte aufrechtzuerhalten. Die spezifische Festigkeit ist 4 % höher, der spezifische Modul 9 % höher und die Bruchzähigkeit ist erhöht, bei hoher Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und hoher Beständigkeit gegen Ermüdungsrisswachstum sowie hoher Temperaturstabilität.
Chinas Forschung zu Schmiederingen für Raketenstrukturen
Chinas Produktionsstandort für Trägerraketen befindet sich in der Wirtschafts- und Technologieentwicklungszone Tianjin. Er besteht aus einem Raketenforschungs- und -produktionsbereich, einem Anwendungsbereich für die Luft- und Raumfahrtindustrie und einem zusätzlichen Unterstützungsbereich. Er integriert die Produktion von Raketenteilen, die Komponentenmontage und die Endmontageprüfung.
Der Raketentreibstoff-Lagertank besteht aus zwei bis fünf Meter langen Verbindungszylindern. Die Tanks bestehen aus einer Aluminiumlegierung und müssen daher mit Schmiederingen aus Aluminiumlegierung verbunden und verstärkt werden. Auch Verbindungsstücke, Übergangsringe, Übergangsrahmen und andere Teile von Raumfahrzeugen wie Trägerraketen und Raumstationen benötigen Schmiederinge. Schmiederinge sind daher ein sehr wichtiges Verbindungs- und Strukturteil. Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd., Northeast Light Alloy Co., Ltd. und Northwest Aluminum Co., Ltd. haben viel Arbeit in die Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung und Verarbeitung von Schmiederingen gesteckt.
Im Jahr 2007 überwand Southwest Aluminum technische Schwierigkeiten wie Großguss, Öffnen von Schmiedeblöcken, Ringwalzen und Kaltverformung und entwickelte einen Schmiedering aus Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 5 m. Die ursprüngliche Kernschmiedetechnologie füllte die Lücke im Inland und wurde erfolgreich beim Langer Marsch 5B eingesetzt. Im Jahr 2015 entwickelte Southwest Aluminum den ersten supergroßen Schmiedering aus Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 9 m und stellte damit einen Weltrekord auf. Im Jahr 2016 meisterte Southwest Aluminum erfolgreich eine Reihe wichtiger Kerntechnologien wie Walzformen und Wärmebehandlung und entwickelte einen supergroßen Schmiedering aus Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 10 m, der einen neuen Weltrekord aufstellte und ein wichtiges technisches Problem für die Entwicklung von Chinas Schwerlast-Trägerrakete löste.
Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminum
Veröffentlichungszeit: 01.12.2023
