谈航空材料
作者 : 未知

  航空器本身是一个复杂的组合体,而工作环境又是变化很大的,因此每个组成部件,为了性能的需要,都对材料,提出了既严格而标准又高的要求,航空材料已成为发展航空工业最重要问题之一。
  我们知道现在能够飞入空中的,有各种各样的飞机(亚音速的,超音速的)、导弹(空对空的,空对地的,地对空的,地对地的)、火箭和卫星。
  它们用的动力,有活塞、涡轮喷气、涡轮螺旋桨、冲压喷气、脉动喷气和原子能发动机等等。
  工作的范围,已拓展到整个宇宙空间。
  我们对高空的情况,还是了解得不够的,一般把大气层,大别分为对流层,同温层和电离层三层。目前有人驾驶的飞机只能在对流层和同温层内飞行,故这两层在目前对人类的航空最关重要。
  各层大气的物理和气象条件均有不同,飞行应考虑这些条件,特别是在高空作超音速飞行。
  当航空器以高速飞行时,其前端压缩空气,使发生高温。在航空器的表面上,还有空气摩擦热。超音速航空器的前面产生的冲波,使空气不连续地被压缩,动能转变为热能。机体前端的温度,随M数(飞行速度与音速之比)变化,可能高达数千度(如下表)。其次是机体表面上的空气摩擦热。
  
  温度在机体上的分布是不同的,以前端为最高,故应首先求得该处的温度。其他各处的温度均比较低。图1所示为在50000英尺高空以三倍音速(M=3)飞行时,机体外壳上温度分布的情况。
  
  图1
  
  由此可见,超高空飞行最大的问题,是当航空器飞离及返回稠密大气层时,机件外壳上所发生的高热。这也就是所谓“00”热障“00”问题。
  火箭在上升期间,因加速度比较小,脱离稠密大气层的速度不致太大,所以发生的热量亦不大。问题在于再返回地面,通过稠密大气层时,对发热量必须加以限制。飞行器的推力来自发动机。其材料长时间内在高温下工作。因此燃烧室和尾喷管中的“热”问题,亦非常重要。下面在介绍发动机的工作情况时再谈。
  火箭是在极大的高度,以不发生摩擦热的空间飞行。但火箭以极大的速度进入大气层时,所发生的热量达到上升时的一百倍甚至一千倍。例如航空器以24,000公里/小时的速度突进大气层时,前端的温度可达5000°F(2760℃)。处理这种由于温度急剧上升而来的大量的热,是高空火箭飞行上一个最大的问题。目前已考虑的,有以下几种解决方法。第一是在降落时使火箭向前方喷气,产生反推力,以减低降落速度。为此则需有额外的燃料,这就会增加上升时的重量,是不合算的。
  第二种方法,是对航空器的前端,不用锐角,而做成粗钝的形状。由于粗钝的前端,会发生大的冲击波(图2右),但对航空器的制动作用是有效的。
  
  图2
  左:前端为锐角时所产生的冲波
  右:前端为粗钝时所产生的冲波
  
  第三种方法是在火箭的表面覆盖绝热材料。考虑应用高熔点的耐火物质(高温陶瓷),但由于在短时间内,温度的变化非常急骤,会引起耐热应力的困难问题。
  第四种方法是考虑到火箭进入大气层到达地面为时仅需20-30秒钟,这时可让火箭表面少许熔化,由于蒸发要吸收一部分热量,使中心的主要部分,仍能保持其强度,安全回到地面。
  不论何种方法,实质问题都是以提高耐热材料的性能为主。
  超音速航空器使用的材料(包括机体材料和发动机材料)要求的条件,包含以下几项:
  1.高温强度及蠕变强度大;
  2.疲劳强度及韧性要高;
  3.比强度要大;
  4.抗腐蚀及抗氧化性能要高;
  5.成型(铸造或压力加工),切削,及焊接等加工性能好,热处理简单;
  6.在整个工作期间,不发生任何变化的、稳定的显微组织;
  7.合金成分符合经济上的要求;
  8.可能大量生产。
  现在再就个别的材料谈一谈。
  蒙皮材料:做高超音速航空器蒙皮的材料,第一是要熔点高,高温强度大。高温强度在再结晶温度以上会急速地失去。就耐热金属的目的而言,铌(Nb)以上的都有可能制成耐热、耐腐蚀的金属和合金。在目前来说,耐热合金还没有达到预想的最高使用温度,要达到这个目的,就需要材料研究人员,大大地努力钻研。
  其次是熔点相同的合金,由于其导热性的大小不同,做火箭的蒙皮的性能亦有变化。在熔化温度范围内,导热性小的材料比导热性大的材料熔化得慢。所以导热性小的材料熔化的时间要长,故比较适于做蒙用的金属。由此可知做火箭蒙皮的材料,希望导热性要小,比热要大,抗腐蚀性要好。
  结构材料:目前用来制造高超音速航空器的结构材料一般有:
  1.铝及铝合金:对超音速飞行,作结构材料虽使用已少,但美国在1958年仍使用了300万吨铝。进入火箭时代后,又发明新的铝合金,在火箭上亦有可能应用。
  2.镁合金:镁与铝的合金,苏联与美国都用作耐腐蚀及耐热金属。美国用镁合金做导弹体。
  3.钢:可以考虑用结构钢作高温材料,其中硅―铬―钼―型的中炭钢,就其比强度看,比不锈钢、钛合金为优。但在实际应用上,会发生各种各样的麻烦问题。不锈钢为机体的重要材料,有优良的耐酸及耐腐蚀性能。
  4.钛:高温强度好,耐腐蚀,比重轻,就比强度言,它是目前金属中最高的一种。钛合金短时间的最高使用温度为2000°F,长时间为1100°F,是优良材料之一。
  5.镍合金:以镍合金与不锈钢做导弹蒙皮,使用最多。苏联应用镍―铬―钛―铝合金做火箭发动机的燃烧室。
  6.耐热金属:此类中有钨,钼,钽,铌。苏联在火箭发动机上已应用了铌,约在1650°F温度下运转,近来有在2000°F运转的可能。
  7.其他材料:铍,陶瓷,各种高分子合成材料等等。
  发动机材料:涡轮喷气发动机的涡轮是在高温高转速下工作的。由于振动及起动与停止时的温度突变,可引起热应力问题。对使用材料的要求,是疲劳强度要高,蠕变强度要大,热膨胀率要小。
  由于材料性能的限制,涡轮入口温度近年不超过850℃,要增大发动机的推力,就必须提高此入口温度,其关键在提高材料的耐热性能。
  推力也是与流量成正比的,增大流量,就必需增加叶片的长度,叶片应力就会增大,关键问题亦在材料的热强度。
  其他如冲压喷气发动机,其推力的大小决定于尾喷管前燃气的温度,该处的温度愈高,推力就愈大。目前由于受了材料性能的限制(如铬镍钴合金),对尾喷管容许的壁面工作温度为1600°K上下,因此燃气温度就无法超过2500°K。为了提高冲压喷气发动机的推力,迫切需要性能更好的高温合金。钨钽铌基合金将是发展的方向。另一办法是采用高温陶瓷合金涂层。
  人造卫星材料:人造卫星飞行的空间,大气的抵抗力很小,不如火箭材料对耐热性要求那样高。但卫星本身对材料又有其特殊要求。首先是由于剧烈的温度变化时,内部的仪器、实验的动物必须加以保护。人造卫星向地球的内侧受真空寒冷,向太阳的一面,则大量吸收太阳紫外线辐射热,达到相当高的温度。此温度的变化由-100~-130℃到+260~315℃。在地球的一昼夜之间,卫星绕地球公转的圈数:苏联卫星1号是15次,2号是14次。在每一圈中,温度激变一次,从太阳热的吸收量及放出量来看,要求有平衡热量的时间。
  第二,为了便利目视观测,照相观测,要求有极大限度的可视光线的反射。
  第三,材料的重量要轻,且必须具有某种程度的强度。卫星的重量增一公斤运载火箭的重量将增一吨。
  人造卫星的材料,苏联1,2,3号卫星是用铝合金。美国先锋号是用镁合金,即镁―铝―锌―锰系合金。
  苏联的人造卫星用铝―镁―锰系合金,都是为第三条件而采用了轻合金。
  卫星的表面要能反射光线,能抵抗温度的激烈变化。上述的材料对后者都是耐受不了的,故需加以特殊处理。
  由以上简单而不完全的介绍,已可窥见航空材料的复杂性和重要性了。
  各国对航空材料的研究,均在以全力进行,不论金属材料,非金属材料及防护涂层都在寻找新型而合乎航空器制造上特定要求的材料,并研究解决这些新型材料的新工艺方法(如铸造,压力加工,焊接,热处理及表面处理等。)在这一竞赛中,谁先对材料问题获得解决,谁就占先跃进一步。为了发展祖国的航空工业,航空材料工作者就必须在党的领导下大力展开研究工作。

文秘写作 期刊发表