泡沫鋁在航天工程中的應(yīng)用展望論文
1 材料發(fā)展現(xiàn)狀
通常金屬材料中夾雜的氣泡都被視為材料結(jié)構(gòu)上的缺陷, 但結(jié)構(gòu)中充滿規(guī)則氣泡的金屬作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)得到越來越廣泛的關(guān)注。具有該結(jié)構(gòu)的金屬被稱為泡沫金屬。近年來對(duì)泡沫金屬的注意力主要集中在泡沫鋁和鋁合金的制備、性能分析及推廣應(yīng)用上。美國(guó)、英國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的投入很多, 1 9 9 6 年12 月, 美國(guó)高技術(shù)委員會(huì)和投資15 0 0 萬美元將泡沫金屬項(xiàng)目列為最大的材料項(xiàng)目之一, 調(diào)動(dòng)哈佛、M I T、劍橋等研究機(jī)構(gòu),以結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法為研究對(duì)象, 進(jìn)行深入研究。歐共體支持德國(guó)以汽車以及高技術(shù)為對(duì)象展開對(duì)該材料的制備和應(yīng)用研究�，F(xiàn)在, 國(guó)外正在進(jìn)行該種材料在高科技應(yīng)用和民用方面的探索性工作。國(guó)內(nèi), 東南大學(xué)材料工程系歷經(jīng)十二年, 在多方支持下, 從基礎(chǔ)制備研究入手, 發(fā)展到材料的應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化階段。1 9 9 9 年、2 0 0 0 年及2 0 01 年?yáng)|南大學(xué)還作為中國(guó)的唯一代表應(yīng)邀參加了三次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。他們的制備工藝以及產(chǎn)品的質(zhì)量等在國(guó)際同行業(yè)中已經(jīng)處于先進(jìn)行列, 美國(guó)的波音格羅曼公司對(duì)其提出了需求。
2 泡沫鋁應(yīng)用前景及發(fā)展動(dòng)向
泡沫鋁同時(shí)具有多項(xiàng)優(yōu)異性能, 應(yīng)用前景十分光明, 在汽車、艦船、航空、航天、兵器、電子、環(huán)保、交通、建材等方面都將大有作為。特別是在航天工程中, 同時(shí)具有多項(xiàng)優(yōu)良性能的泡沫鋁正是航夭工程一直追尋的理想結(jié)構(gòu)材料。例如, 目前運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力雖相對(duì)過去已經(jīng)大大提高, 但實(shí)際運(yùn)載能力還是很有限的, 因此減輕航天器的重量是航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要課題之一。即便是在火箭運(yùn)載力足夠的條件下, 如能減輕結(jié)構(gòu)重量, 增加有效載荷則可以大大降低發(fā)射費(fèi)用。據(jù)分析, 目前每送入軌道1 公斤有效載荷, 需發(fā)射費(fèi)用上萬美元。如果把泡沫鋁用在航天器上, 經(jīng)濟(jì)效益將是顯而易見的。泡沫鋁在航天方面的應(yīng)用是美國(guó)重點(diǎn)研究的方向之一。在劍橋國(guó)際會(huì)議上, 美國(guó)透露了以下一些應(yīng)用取向: 支撐高精度的一般光學(xué)系統(tǒng); 用于光學(xué)系統(tǒng)大型支架; 取代蜂窩鋁以承受多向應(yīng)力, 用作航天器承力筒; 空間熱交換器等等。目前已經(jīng)公開的應(yīng)用方向主要是美國(guó)以航天、海洋、及個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用方向; 日本以靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)地面降噪、建筑、隔熱為主要應(yīng)用方向; 德國(guó)以汽車、快艇等交通工具為應(yīng)用對(duì)象。
3 我國(guó)航天工程中應(yīng)用設(shè)想
國(guó)內(nèi), 泡沫鋁的應(yīng)用在其它技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開始, 并取得了較滿意的結(jié)果。在航夭方面尚處在起步階段, 由于種種原因, 目前只是進(jìn)行一些探索性的討論和研究。相比較, 美、英、日、德、法等國(guó)已經(jīng)把航天作為泡沫金屬的最主要應(yīng)用領(lǐng)域, 正在大力發(fā)展。為了趕上國(guó)際發(fā)展潮流,根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果和應(yīng)用取向, 結(jié)合特定航天器設(shè)計(jì)中存在的問題, 這里對(duì)泡沫鋁的應(yīng)用可能作以下幾方面的設(shè)想。
3.1 防振座椅載人飛船在發(fā)射和回收過程中, 航天員固定在座艙座椅上, 由于兩過程的沖擊振動(dòng)較強(qiáng),航天器工程1 0 卷對(duì)航天員健康十分不利。目前采取的減振措施一是座椅支架裝有緩沖器, 二是座椅上有防振墊。其中支架緩沖器只對(duì)較大的沖擊減振效果明顯, 防振墊的作用又比較有限, 綜合減振效果并不好�，F(xiàn)在可以考慮將座椅材料換成泡沫鋁, 利用該材料的超輕型、阻尼、沖擊吸能特性, 再輔以減振墊, 即減輕了座椅重量, 又能夠有效優(yōu)化航天員所處的力學(xué)環(huán)境, 可謂一舉兩得。
3.2 抗沖擊艙底某航天器的回收艙在返回著陸時(shí)的正常姿態(tài)是艙底著地, 為了緩沖著陸時(shí)的沖擊, 艙底的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成中間輔以加強(qiáng)筋的雙層蒙皮形式, 艙底的局部圖如圖1 所示, 內(nèi)層鋁蒙皮厚度為5~, 該層既要完成回收艙密封功能, 又要用來支撐外部結(jié)構(gòu)。外層蒙皮厚度也為4 一5~,中間的加強(qiáng)筋為徑向放射狀分布的析條, 析條高20 m m , 彬條與內(nèi)層蒙皮采用焊接連接, 外層蒙皮與析條用螺釘連接。這一結(jié)構(gòu)形式的p七I k g c/ m, 大致與水相當(dāng)。該結(jié)構(gòu)雖能夠滿足設(shè)計(jì)要求, 但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 重量太大, 而且著陸中心點(diǎn)如果在彬條上, 會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊, 總體效果還不是很理想。泡沫鋁材料在受沖擊時(shí)有很大的沖擊能量吸收值, 并且泡沫鋁受沖擊時(shí)的逐層塑性變形十分均勻, 因此設(shè)想將其應(yīng)用在回收艙的艙底上, 以期達(dá)到更好的效果。這里設(shè)想了兩種方案: 一是用泡沫鋁替代現(xiàn)有的加強(qiáng)朽條, 并使彬條間距變小, 提高整體均勻性, 再減薄外蒙皮的.厚度, 重量肯定會(huì)減輕, 同時(shí)又能提高艙底的整體性能, 結(jié)構(gòu)如圖2。也可以結(jié)合材料特性考慮設(shè)計(jì)出網(wǎng)狀或其它適當(dāng)形式的加強(qiáng)結(jié)構(gòu), 連接方式考慮采用粘接; 二是兩層鋁蒙皮間全部用泡沫鋁填充, 形成夾層結(jié)構(gòu)。這樣艙底的結(jié)構(gòu)性能會(huì)大大提高, 內(nèi)外蒙皮的厚度可以大幅減薄, 艙底重量仍然可以減輕。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮泡沫鋁材料自身的性能優(yōu)勢(shì),使艙底的功能得到加強(qiáng), 可靠性大大提高。
3.3 陀螺支架陀螺是航天器在軌飛行和返回時(shí)的主要姿態(tài)控制部件, 因此它的安裝精度要求很高。陀螺又是一個(gè)“ 嬌氣” 的高精密度儀器, 對(duì)力學(xué)環(huán)境和熱學(xué)環(huán)境要求嚴(yán)格, 目前某航天器為了滿足陀螺的環(huán)境要求, 在陀螺與支架之間的安裝點(diǎn)加裝了橡膠減振器緩沖上升段和返回的較嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境。但是安裝使用彈性的橡膠減振器, 陀螺的安裝精度必將受到一定的影響。比如由于地面尚做不到“0 ” 重力安裝環(huán)境, 在飛行器入軌進(jìn)入“0” 重力環(huán)境后, 陀螺的安裝精度會(huì)有一定的漂移, 目前還無法解決這一問題。此外, 陀螺還是一個(gè)發(fā)熱部件, 橡膠減振器的安裝也使得陀螺工作時(shí)產(chǎn)生的熱量很難通過支架傳導(dǎo)出去。為了解決這一問題, 采取了多重措施, 例如增加柔性傳導(dǎo)帶, 采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對(duì)流散熱等方法。
為了解決這些矛盾, 最好的想法就是使金屬陀螺支架本身具有優(yōu)良的減振性能, 泡沫鋁在空氣相和金屬骨架兩相不均勻及應(yīng)變強(qiáng)烈滯后于應(yīng)力決定了其具有極佳的阻尼性能, 其阻尼值約為純鋁的5 一10 倍。并且阻尼值隨應(yīng)變振幅的增加迅速加大1)設(shè)想, 如果陀螺支架采用泡沫鋁合金( 因?yàn)榕菽X合金的強(qiáng)度較高, 比泡沫鋁高接近一倍)制造, 上述間題將可能得到較好的解決。支架材料本身的性能決定其可以隔離相當(dāng)一部分振動(dòng)、沖擊, 就可以解決振動(dòng)間題, 不必安裝橡膠減振器。如果材料采用通孔泡沫, 同時(shí)用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對(duì)流散熱, 可以獲得極佳的散熱效果, 解決散熱問題�，F(xiàn)在該陀螺支架大體形狀如圖3, 支架采用硬鋁制造, 支架上開了多處孔和槽以減輕重量。由于陀螺重量較輕, 支架的強(qiáng)度不是主要問題, 完全可以采用泡沫鋁合金制造陀螺支架, 來解決安裝精度和散熱問題, 同時(shí), 很重要的是支架的重量也得以減輕。
泡沫鋁的隔振、沖擊吸能也是國(guó)外研究的重要方向之一�，F(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)用泡沫鋁合金設(shè)計(jì)制作了預(yù)警飛機(jī)雷達(dá)的防振支座, 并獲得了較佳的效果。這也在一定程度上說明了上述設(shè)想的合理性。泡沫鋁作為阻尼減振或沖擊吸能部件, 有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式不具有的優(yōu)勢(shì), 它使結(jié)構(gòu)件本身具有減振、阻尼的功能, 合二為一, 簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì), 提高了可靠性。此外, 孔隙率及孔徑不同的泡沫鋁合金對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)會(huì)有所不同。陀螺的敏感振動(dòng)頻率段分布在5 0 H z 以下, 如果我們通過試驗(yàn)?zāi)軌蛘页鰧?duì)該頻段的振動(dòng)過濾效果最佳的泡沫鋁合航天器工程1 0 卷金制作陀螺支架, 就能得到更好的效果。
3.4 其它應(yīng)用泡沫鋁及鋁合金用作非承力件或次承力件的情況相對(duì)較多, 主要是利用它的一些優(yōu)異性能來滿足一些特殊的要求。比如散熱、隔熱( 閉孔泡沫)、隔音、重量輕等等。航天工程應(yīng)用在材料滿足強(qiáng)度等其他性能要求的條件下, 希望材料盡可能的輕, 泡沫鋁的優(yōu)良綜合性能恰好適應(yīng)這一條件, 因此, 空間站以及一些大型航天器中的非承力件或次承力件, 如散熱件、隔熱件、隔板、艙門等等都有望用該材料替代現(xiàn)有材料。前面提及國(guó)外正在積極進(jìn)行泡沫鋁用作航天器主承力件方面的研究, 據(jù)悉, 現(xiàn)在國(guó)外已經(jīng)在計(jì)算方法等方面取得了進(jìn)展, 而目前國(guó)內(nèi)在這方面并沒有實(shí)質(zhì)性的動(dòng)作, 我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)航天界應(yīng)擺脫跟蹤發(fā)展航天科技的現(xiàn)狀, 利用國(guó)內(nèi)良好的客觀條件( 東南大學(xué)歷經(jīng)多年努力開發(fā)的泡沫鋁和鋁合金制備技術(shù)水平居世界同行業(yè)前列), 組織好多方力量, 積極展開泡沫鋁在航天技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究, 爭(zhēng)取率先取得突破。
4 泡沫鋁與鋁峰窩的幾點(diǎn)比較
鋁峰窩夾層板現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航夭領(lǐng)域, 主要因其具有重量輕、比剛度大的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上鋁蜂窩與泡沫鋁在結(jié)構(gòu)形式上很相似, 但在用作結(jié)構(gòu)件時(shí)泡沫鋁比鋁蜂窩更有優(yōu)勢(shì)。首先泡沫鋁的物理性能呈現(xiàn)穩(wěn)定的各向同性, 鋁蜂窩的徑向與切向性能則相差甚遠(yuǎn); 其次泡沫鋁具有良好的機(jī)加工性能, 鋁蜂窩基本無法進(jìn)行機(jī)加工。相比之下明顯可以看出泡沫鋁適用性更廣。
鋁蜂窩也用作沖擊吸能部件, 其壓縮變形比較大, 在較大的范圍內(nèi)具有平穩(wěn)的塌垮載荷,吸能效果較好。在這方面我們?cè)?jīng)做過大量的試驗(yàn)。鋁蜂窩比較有代表性的靜壓試驗(yàn)曲線如圖4 , 該曲線為正六角蜂窩試件的首次和二次靜壓比較圖。曲線中帶有尖峰的是一次靜壓曲線, 峰值的最高點(diǎn)為鋁蜂窩屈服的臨界點(diǎn), 繼續(xù)壓縮, 蜂窩承載急劇下降, 降至一定值后, 位移增加, 載荷基本保持恒定, 直至鋁蜂窩完全塌垮掉, 載荷才上升。二次壓縮是先將試件壓縮至臨界點(diǎn), 繼續(xù)壓縮使略微超過臨界點(diǎn), 然后卸載。重新加壓進(jìn)行二次壓縮, 此時(shí)就不會(huì)再出現(xiàn)一次壓縮曲線中的壓力峰。這樣我們就可以利用鋁蜂窩作沖擊吸能件了。但是大量的試驗(yàn)表
明同種鋁蜂窩的塌垮載荷波動(dòng)較大, 一致性低, 成為應(yīng)用的障礙。經(jīng)分析主要原因是鋁蜂窩膠接層的質(zhì)量不一致造成的。盡管已經(jīng)采用了可以獲得的最好的膠, 可在大載荷作用下膠層質(zhì)量的微小差別仍然會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。泡沫鋁的重要應(yīng)用之一也是沖擊吸能, 其壓縮a 一。曲線分彈性段、長(zhǎng)的平臺(tái)段和緊密段三部分, 其中很長(zhǎng)的平臺(tái)段決定了它的沖擊能量吸收性能極佳2) P = 84 % 的泡沫鋁, 變形50 % 的沖擊能量吸收率大于2.SMJ / m。另外, 二者結(jié)構(gòu)雖然類似, 但泡沫鋁是一次鑄造成型, 故不存在鋁蜂窩的膠層質(zhì)量問題。由上可以判斷用泡沫鋁作沖擊吸能件效果應(yīng)比鋁蜂窩好得多。
5 總結(jié)
泡沫金屬的研究雖然起步較早, 但該材料近年來才得以推廣應(yīng)用, 并且主要集中在泡沫鋁上。在2 0 0 0 年6 月劍橋大學(xué)國(guó)際會(huì)議上, 美、英等國(guó)的許多著名教授一直認(rèn)為泡沫鋁的主要應(yīng)用對(duì)象為“s p ac e ” 。東南大學(xué)材料學(xué)院近年在材料制備方面已經(jīng)取得了重大突破, 現(xiàn)在可以為航天工程應(yīng)用提供多種形式的泡沫鋁和鋁合金材料:
( 1 ) 外表帶有薄層蒙皮, 中間為泡沫形式;
( 2) 內(nèi)部為通孔, 外表為閉孔的形式;
( 3) 為滿足特定要求, 還可以在通孔材料中添加其它材料形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。
以上的結(jié)構(gòu)形式為航天和其它領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是作為一種新興材料,泡沫鋁結(jié)構(gòu)同以往的常用金屬材料和復(fù)合金屬材料有很大的不同, 它在應(yīng)用方面必然存在很多需要驗(yàn)證和解決的問題。如在材料制備方面鑄造的泡沫金屬毛胚尺寸大小尚存在一定的限制。不過何題的存在從某種程度上也說明該種材料還存在著巨大的發(fā)展?jié)摿? 如果材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究能夠積極進(jìn)行并相互促進(jìn), 那么泡沫金屬優(yōu)良的綜合性能將使它替代現(xiàn)在大量采用的鋁和鋁合金成為未來航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要材料
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