航天器结构与机构大作业

铝合金、镁合金在航天器上的应用实例
摘要：随着中国航天事业的发展，未来的航天器将朝着长寿命、大型化、高承载、轻量化、
高尺寸稳定性，以及耐受复杂空间环境等方向发展，其中离不开材料的发展。本文就其中应 用比较广泛的铝合金和镁合金，对其在航天器中的应用实例进行介绍。
关键词：铝合金；镁合金；航天器；应用 Abstract: With the development of China's space industry, future spacecraft will be towards a
2.1 铝合金铸件
在现代飞行器结构件中， 利用了几千种铝铸件，根据飞行器不同的使用条件和部位， 主要用了三种基本的铝合金：高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金。 高强铝合金主要用于飞行器主题部件、发动机舱等，在大多数情况下可替代铝模锻件。 耐热铝合金零件主要用于靠近发动机的系统部件， 此处的温度可达到几百度。 与普通结 构合金和高强合金相比，该合金具有合金化程度高的优点，属铝-铜-镍系合金。 耐蚀铝合金具有足够高的性能指标，其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很 好，主要具有耐蚀性。它属于铝-镁系合金和铝-镁-锌系合金。
（2）镁合金。其主要特点是密度低，有较好的比模量和比强度值；导热性和导电性良 好；减振能力好，可承受较大的冲击载荷；制造工艺性能良好。但镁合金具有在大气环境下 不耐腐蚀的缺陷。一般说，镁合金的长期工作温度不超过 150℃。
2 铝合金在航天器上的应用
由于上述铝合金材料的一系列长处，在过去和现在一直是航天器的主要结构材料之一， 被大量使用。 特别是由于铝合金蜂窝夹层结构的应用， 大大提高了航天器结构的刚度和降低 了质量，因而使铝合金在航天器结构和机构上得到了广泛的应用，例如，大量应用于航天器 舱体结构、各种承载壁板结构、各种仪器安装板、连接法兰和密封容器等。 铝合金在飞机上主要是用作结构材料，如：蒙皮、框架、螺旋桨、油箱、壁板和起落架 支柱等。铝合金在航天航空中的应用开发可分为几个阶段：50 年代主要目标是减重和提高 合金比刚度、比强度；60～70 年代主要目标是提高合金耐久性和损伤容限，开发出 7XXX 系合金 T73 和 T76 热处理制度、7050 合金和高纯合金；80 年代由于燃油价格上涨而要求进 一步减轻结构重量；90 年代至今，铝合金的发展目标是进一步减重，并进一步提高合金的 耐久性和损伤容限。例如开发出高强、高韧、高抗腐蚀性能的新型铝合金，大量采用厚板加 工成复杂的整体结构部件代替以前用很多零件装配的部件， 不但能减轻结构重量， 而且可保 证性能的稳定。 要实现这一点要开发出低内应力的厚板材料。
图 1 奋进号航天飞机与外储箱
图 2 天空一号 据统计，每减轻 1kg 结构重量可以获得 10 倍以上经济效益，所以密度较低的铝锂合金 受到航天工业的广泛重视。铝锂合金已在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。其中，美 国的应用发展非常快，在航天工业上的应用尤为突出。 洛克希德·马丁公司利用 8090 铝锂合金制造了“大力神”号运载火箭（图 3）的有效 载荷舱， 减重 182kg。 1994 年， 为解决 “奋进号” 航天飞机外贮箱的超重问题， 洛克希德· 马 丁公司联合雷诺兹金属公司研发出新型 2195 材料以取代之前的 2219 合金。 该合金的密度比 2219 合金的轻 5%，而其强度则比后者高 30%。采用 2195 制造的整体焊接结构贮箱，减轻 重量 3405kg，其中液氢箱减重 1907kg，液氧箱减重 736kg，直接经济效益近 7500 万美元， 因此被称为超轻燃料贮箱(Super Light Weight Tank)。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用 方面也一直处于领先地位，为提高载荷能力，航天飞机的外燃料贮箱便采用铝锂合金制成， “能源号”运载火箭（图 4）的低温贮箱是采用 1460 铝锂合金制成。
2.2 铝合金大型挤压型材
随着科学技术的进步，铝合金型材正向着大型化、整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、 形状复杂化方向发展， 应用范围已由民用型材料推广到航天航空用型材， 大型型材的主要特 点有：①大型化和整体化；②薄壁化和轻量化；③断面尺寸和形位公差精密化；④组织性能 的均匀化与优质化。由于大型型材具有以上特点，给挤压加工带来了一系困难。航天航空用 大型挤压型材主要有：整体带筋壁板、工字大梁、机翼大梁、梳状型材、空心大梁型材等。 主要用作宇宙飞船等飞行器的受力结构部件等。 大型挤压型材常用合金有： ①低强度铝合金：工业纯铝、3A21、5005、5A02、5A03、5086 等热处理后不强化，其 半成品在退火状态下和冷作硬化后使用。
2.4 铝锂合金的应用
铝锂合金材料是近年来航天材料中发展最为迅速的一种先进轻量化结构材料， 具有密度 低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等诸多优异的综合 性能。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻 10%~20%，刚度提高 15%~20%，因 此，在航天领域显示出了广阔的应用前景。 近年来， 国内外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟， 因此在航天器的设计与制造中大 量使用了铝锂合金，如“奋进号”航天飞机的外贮箱（图 1） 、“天宫一号”的资源舱和太阳 电池翼（图 2） 。
Keywords: aluminum; magnesium alloy; spacecraft; application
1 引言
航天器又称空间飞行器、太空飞行器。按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开 发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。由于航天器工作环境的特殊性（发射环境和 空间环境） ，对于航天器结构材料的要求与对常规机械产品材料的要求有很大区别，即使与 航空结构材料也有所不同。因此航天器对材料性能的基本要求有如下几方面。 （1）轻量化要求。为了提高航天器性能，降低发射成本，确保航天器进入规定的空间 轨道，对航天器的质量，特别来自百度文库对航天器结构的质量有严格限制。因此必须采用轻型材料， 即采用密度尽量低的材料。 （2）机械性能要求。为了提高结构和机构的自然频率，防止在发射时引起过大的动态 响应载荷和保证航天器姿态控制系统的正常运行， 以及为了提高航天器薄壁结构在发射压缩 载荷下的稳定性， 均需要提高结构和机构的刚度， 而最有效的途径是采用弹性模量高的材料。 另外，为了更好地承受载荷，需要采用强度高的材料。根据高模量、高强度的要求与上述低 密度要求相结合，需要采用比模量（材料弹性模量与密度之比）高和比强度（材料强度与密 度之比）高的材料。其中，高比模量的要求是航天器结构材料的重要特征。 （3） 物理性能要求。 根据航天器结构的不同需求， 对材料的物理性能有各种不同要求。 如果需要在空间温度变化条件下保持尺寸稳定的结构（如天线结构） ，希望材料具有较小的 热膨胀系数。一般结构要求材料有较高的比热和热导率，使温度分布比较均匀，以避免过高 的温度应力或变形。但有时由于热控或防热需要,要求结构兼有隔热作用，则应采用热导率 低的材料。为此，应根据电性能对结构的特殊要求，采用导电材料或绝缘材料。 （4）耐空间轨道环境要求。对于长期在轨道运行的航天器结构材料，尤其是对于直接 暴露在空间的航天器外部的结构材料，要求材料具有良好的空间环境稳定性，包括在真空、 温度交变、紫外辐照、电子辐照、原子氧等环境下性能材料的稳定性。 （5）材料真空出气要求。在空间真空环境下，材料出气不仅可能降低材料的性能，更 重要的是污染了邻近的光学、热控或电气设备表面。所以，对航天器结构材料应提出限制真 空出气的要求。一般规定为：材料的总质量损失(TML)不得大于 1%，收集到的可凝挥发物 （CVCM）不得大于 0.1%。 （6）制造工艺性能要求。航天器结构材料要通过各种制造工艺手段才能形成结构和机 构产品，特别是对于复合材料制品，制造过程也就是材料形成的过程。因此，材料的制造工 艺性能非常重要， 制造工艺性能的好坏将直接影响到材料性能的发挥程度， 甚至可能决定材 料的实际使用价值。 适合上述航天器结构材料要求的金属材料中，镁、铝合金的应用最为广泛，它们的特性 表现为： （1）铝合金，其主要特点是密度低，有较好的比模量和比强度值，导热性和导电性良 好；抗腐蚀性能好；制造工艺性能良好；在所有轻金属材料中成本最低廉。铝合金的工作温 度一般不超过 200~300℃但低温性能很好，随着温度下降，强度和塑性还有所增加。
图 3 大力神系列运载火箭
图 4 “能源号”运载火箭
3 镁合金在航天器上的应用
镁合金具有密度小（1.82 g/cm3） 、比强度高的优势，近年来出现的高强镁合金能将镁合 金的抗拉强度提高到 590 MPa，比强度的优势更加明显。所以，镁合金在航天器结构中也有 一定的应用价值，而且镁合金多为铸造镁合金，主要用于重量敏感的部位，已作为国内航天 器舱体的底板，支承大梁等。但是铸造镁合金的强度偏低，铸造大型结构件时的成品率也比 较低，阻碍了其应用范围的进一步扩大。由于镁合金的抗腐蚀能力差，在产品设计、制造、 使用、储存等方面均带来诸多不便。而且总的性能与铝合金相比并无特别的优越之处。因此 目前镁合金在国外较铝合金材料要少。 北京卫星制造厂近年开展了大量的技术攻关和设备改造， 突破了大型镁合金表面的防腐 处理、机械加工、焊接技术，实现了大型镁合金结构件在多个航天器上的应用。图 5 所示为 正在整体加工的大型镁合金结构件。
long life, large-scale, high load, lightweight, high dimensional stability, as well as withstand the space environment, such as the direction of the complex, which is inseparable from the material development. In this paper, in which the broader application of aluminum and magnesium alloys, their spacecraft application examples are introduced.
2014
年
春
季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考 核 科 目: 航 天 器 结 构 与 机 构
学生所在院（系） ： 机 电 工 程 学 院 学 生 所 在 学 科: 航 空 宇 航 制 造 工 程 学 学 学 考 生 核 类 结 生 姓 名: 徐 昊 号: 1 3 S 1 0 8 1 3 1 别: 硕 士 果 阅 卷 人
图 5 实现整体加工的大型镁合金结构件
3.1 镁合金在航天器电子产品中的应用
镁合金不但质量密度低，而且具有很强的电磁屏蔽和抗辐照的能力，因此，很适合用作 航天器电子产品的机箱材料， 以替换目前应用广泛的铝合金材料， 达到电子产品减重的目的。 对于电子产品的镁合金机箱结构， 除了要求对其表面进行耐腐蚀性防护外， 还要考虑其 导电性，以满足电子产品接地电阻的要求（一般小于 10 mΩ ） ；此外须考虑其热传导性和热 辐射性，以满足电子产品空间热控性能要求（一般电子产品外表面的半球发射率＞0.85） 。 在选择镁合金的表面处理工艺时， 防腐蚀性、 导电性和热控性能要综合考虑， 统筹兼顾。 可以选择的工艺方法如下： （1）利用电镀工艺或离子沉积工艺在镁合金表面先镀一层纯铝膜[2]，满足镁合金的耐 腐蚀性和导电性； 再对纯铝膜层进行高发射率阳极氧化处理， 满足镁合金表面的热控指标要 求。 （2）利用电镀工艺或离子沉积工艺在镁合金表面镀一层纯铝膜，再在纯铝膜层上喷涂 一层环氧树脂基热控涂层，满足镁合金表面的热控要求。 （3）利用等离子体微弧阳极氧化技术在镁合金表面先生成一层致密氧化膜，满足镁合 金的耐腐蚀性要求； 再对镁合金表面膜层进行着色封闭处理， 满足镁合金表面的热控指标要 求；最后在电子产品机箱上适当位置镶嵌铝合金接地桩，满足电子产品接地电阻要求。 （4）先利用等离子体微弧阳极氧化技术在镁合金表面生成致密氧化膜；再在电子产品 机箱上适当位置镶嵌铝合金接地桩， 满足电子产品接地电阻要求； 最后在镁合金膜层上喷涂 一层满足热控要求的环氧树脂基热控涂层。 针对镁合金电子产品机箱的应用瓶颈，开展了镁合金表面涂覆、微弧氧化、高发射率表 面阳极化处理等技术研究， 突破了镁合金表面防腐、 导电性和高发射率热控要求的综合表面 处理技术，实现了镁合金在航天器电子产品机箱中的应用，达到了产品轻量化的目标。图 6 所示是镁合金电子产品机箱。
②中强度铝合金分为两组：热处理不可强化铝合金（5A05、5A06、5B06）和热处理可 强化铝合金（6A02、2A70、2A06）等。 ③高强度铝合金 7A04 和 2A12 在热处理时可急剧强化。
2.3 铝合金厚板
铝合金厚板是现代航天工业重要的结构材料， 目前发达国家铝工业界不断开发出性能优 异的新型铝合金厚板，其中有以下几种常用合金，其一是 7075-T7651 铝合金厚板，它具有 高的强度、良好的韧性、抗应力性能和抗剥落腐蚀性能，它属于铝-锌-镁-铜系超硬铝合金， 其广泛应用于飞行器框架、整体壁板、蒙皮等。其二是 7055 超硬铝合金，它是目前变形铝 合金中强度最高的合金， 美国铝业公司生产的 7075-T77 合金板材强度比 7150 的高出 10％， 比 7075 高出 30％，而且断裂韧性较好，抗疲劳裂纹扩展能力强。 铝合金厚板作为航天用材料具有很好的综合性能， 但也存在淬火残余应力， 残余应力的 存在严重影响着材料的后续加工及其应用， 尤其是用作承受交变载荷的结构件或在腐蚀环境 下工作时， 残余应力是造成材料过早失效甚至造成严重事故的一个主要原因。 因此研究消除 残余应力的方法是十分重要的。