항공우주 분야에서 티타늄 합금의 응용

항공우주 산업에서 티타늄을 적용한 것은 발사 중량을 줄이고, 범위를 늘리고, 비용을 절감하는 목적을 달성했으며, 항공우주 산업에서 인기 있는 소재입니다. 로켓, 미사일 및 항공우주 산업에서 압력 용기, 연료 탱크, 로켓 엔진 쉘, 로켓 노즐 슬리브, 인공위성 쉘, 유인 우주선 캐빈(피부 및 구조적 골격), 랜딩 기어, 달 착륙선, 추진 시스템 등으로 사용할 수 있습니다.

Ti-6Al-4V 합금은 미국에서 1단계 로켓 엔진의 쉘 소재로 널리 사용되고 있습니다. 이 합금을 사용하는 다른 합금으로는 거대 원통형 액체 로켓 용기, 대륙간 탄도 미사일, "미니트맨" 미사일 및 기타 구형 및 타원형 엔진 쉘 등이 있습니다. 반면 Ti-6Al-4VELI 및 Ti-5Al-2.5SnELI 합금의 간극 요소는 산소 함량이 낮고 초저온에서 사용할 수 있으므로 이러한 합금은 로켓 및 미사일 액체 수소 용기, "머큐리" 우주선 및 "제미니" 우주선의 밀폐된 캐빈, 달에 성공적으로 착륙한 "아폴로" 우주선의 주요 구조 부품으로 사용됩니다.

항공우주 산업에서 사용되는 산업용 순수 티타늄, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4VELI 및 Ti-5Al-2.5SnELI 외에도 티타늄 및 티타늄 합금에는 Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 및 Ti/B-Al 복합 재료가 있습니다. 우주 왕복선은 재사용이 가능한 세계 최초의 유인 우주선입니다. 1972년에 개발이 시작되어 1981년에 첫 비행이 성공했습니다. 이 우주선은 작은 날개를 가진 항공기, 47m 길이의 외부 연료 용기, 총 500t의 두 개의 고체 연료 로켓 부스터로 구성되어 있습니다. 궤도 우주선은 길이가 37m이고 무게는 약 68톤입니다. 이 크기는 제트 수송기 DC-9와 거의 같습니다. 지금까지 가장 큰 유인 우주선입니다. 화물칸은 길이가 18m이고 지름이 5m이며 29.5톤의 화물을 지구 궤도로 수송할 수 있습니다.

우주 왕복선은 로켓처럼 발사되어 우주선처럼 최대 고도 1000km의 궤도를 비행할 수 있습니다. 추력이 없는 경우 비행기처럼 활공하고 착륙할 수 있습니다. 이 우주 왕복선은 본질적으로 우주 수송선이므로 유용성을 판단하는 매개변수 중 하나는 지구와 지구 궤도 사이의 수송에 대한 유효 하중입니다. 이 유효 하중을 극대화하기 위해 티타늄 합금은 항공 우주 모터 구성 요소의 중요한 소재가 되었습니다.

궤도 우주선의 설계 수명은 100회 비행이며, 각 비행은 7~30일 동안 우주에 머무릅니다. 우주선은 유인이므로 우주 환경(진공, 궤도 내 극심한 온도 차이, 대기로 돌아올 때의 발열 등)에 적응하고 반복적으로 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

1. 고압용기
티타늄 합금은 우주선 궤도 차량의 총 중량을 줄일 수 있기 때문에 많은 곳에서 사용됩니다. 티타늄의 주요 용도는 필요한 연료와 가스를 위한 고압 용기입니다. 경량 티타늄 합금 용기는 Ti-6Al-4V 합금을 사용하여 NASA의 제미니 및 아폴로 우주선 프로그램에서 성공적으로 개발되었습니다. 아폴로 우주선의 철 압력 용기는 실제로 이전에 약 4의 안전 계수로 설계된 안전 계수 1.5의 전례 없는 디자인을 사용했습니다. 궤도 우주 왕복선의 고압 저장 용기를 더욱 가볍게 하기 위해 얇은 벽의 티타늄 용기 표면에 흰색 케르세틴 섬유(미국 듀폰에서 생산한 방향족 유기 섬유)를 추가하는 방법이 채택되었습니다. 압축 가스를 저장하기 위한 압력 용기. "레인저" 위성과 부스터는 14개의 티타늄 용기를 공유하여 총 중량을 272kg 줄였습니다. 액체 추진제를 저장하기 위한 압력 용기. "아폴로" 우주선에는 약 50개의 압력 용기가 사용되었으며, 그 중 85%가 티타늄으로 만들어졌습니다. Hercules III 전이 단계 엔진은 티타늄 합금 추진제 탱크로 전환한 후 35% 감소했습니다.

2. 엔진 케이싱
고체 연료 로켓 엔진 케이싱. "미니트맨" 대륙간 미사일의 2단계 로켓 엔진은 Ti64 합금을 사용하여 무게를 30%~40% 줄였습니다. 액체 연료 로켓 엔진 케이싱. "아폴로" 달 착륙선 하강 엔진의 연소실 압력 쉘은 Ti64 합금으로 만들어졌습니다.

3. 다양한 구조적 부품
티타늄 합금은 다양한 구조 부품에도 널리 사용됩니다. "머큐리" 우주선의 압력실은 주로 티타늄으로 만들어졌으며, 객실 무게의 80%를 차지합니다. "제미니" 우주선에는 7가지 등급의 티타늄 합금이 사용되었으며, 티타늄 부품 570kg을 사용하여 구조적 무게의 84%를 차지합니다. "아폴로" 우주선의 브래킷, 고정 장치 및 패스너는 모두 티타늄으로 만들어졌으며, 총 68t의 티타늄을 사용했습니다.

4. 유압파이핑
우주왕복선의 유압파이핑은 Ti-3Al-2.5V 합금으로 만든 이음매 없는 파이프를 사용합니다. 이 합금을 사용함으로써 무게를 40% 이상 줄일 수 있습니다. 피로 파괴에 대한 민감도를 줄이고 시스템의 실제 수명을 늘리기 위해 다양한 파이프의 조립은 자동 성형을 채택합니다.