泡沫铝在航天工程中的应用展望.doc

泡沫铝在航天工程中的应用展望.doc泡沫铝在航天工程中的应用展望 1 材料发展现状通常金属材料中夹杂的气泡都被视为材料结构上的缺陷,但结构中充满规则气泡的金属作为一种新型的结构材料已经得到越来越广泛的关注。具有该结构的金属被称为泡沫金属。近年来对泡沫金属的注意力主要集中在泡沫铝和铝合金的制备、性能分析及推广应用上。美国、英国等西方发达国家在这方面的投入很多,1996年 12月, 美国高技术委员会和国防部投资 1500 万美元将泡沫金属项目列为最大的材料项目之一, 调动哈佛、 MIT 、剑桥等研究机构, 以结构性能设计方法为研究对象, 进行深入研究。欧共体支持德国以汽车以及高技术为对象展开对该材料的制备和应用研究。现在, 国外正在进行该种材料在高科技应用和民用方面的探索性工作。国内,东南大学材料工程系历经十二年, 在多方支持下, 从基础制备研究入手, 发展到材料的应用研究及产业化阶段。 1999 年、 2000年及20 01 年东南大学还作为中国的唯一代表应邀参加了三次国际学术会议。他们的制备工艺以及产品的质量等在国际同行业中已经处于先进行列, 美国的波音格罗曼公司对其提出了需求。 2 泡沫铝应用前景及发展动向泡沫铝同时具有多项优异性能, 应用前景十分光明, 在汽车、舰船、航空、航天、兵器、电子、环保、交通、建材等方面都将大有作为。特别是在航天工程中, 同时具有多项优良性能的泡沫铝正是航夭工程一直追寻的理想结构材料。例如, 目前运载火箭的运载能力虽相对过去已经大大提高, 但实际运载能力还是很有限的, 因此减轻航天器的重量是航天产品设计的重要课题之一。即便是在火箭运载力足够的条件下, 如能减轻结构重量, 增加有效载荷则可以大大降低发射费用。据分析, 目前每送入轨道 1 公斤有效载荷, 需发射费用上万美元。如果把泡沫铝用在航天器上, 经济效益将是显而易见的。泡沫铝在航天方面的应用是美国重点研究的方向之一。在剑桥国际会议上, 美国透露了以下一些应用取向: 支撑高精度的一般光学系统; 用于光学系统大型支架; 取代蜂窝铝以承受多向应力, 用作航天器承力筒; 空间热交换器等等。目前已经公开的应用方向主要是美国以航天、海洋、及个高技术领域为应用方向; 日本以静态、准静态地面降噪、建筑、隔热为主要应用方向; 德国以汽车、快艇等交通工具为应用对象。 3 我国航天工程中应用设想国内, 泡沫铝的应用在其它技术领域已经开始, 并取得了较满意的结果。在航夭方面尚处在起步阶段, 由于种种原因, 目前只是进行一些探索性的讨论和研究。相比较,美、英、日、德、法等国已经把航天作为泡沫金属的最主要应用领域, 正在大力发展。为了赶上国际发展潮流, 根据国内外的研究结果和应用取向, 结合特定航天器设计中存在的问题, 这里对泡沫铝的应用可能作以下几方面的设想。 防振座椅载人飞船在发射和回收过程中, 航天员固定在座舱座椅上, 由于两过程的冲击振动较强, 航天器工程 10 卷对航天员健康十分不利。目前采取的减振措施一是座椅支架装有缓冲器,二是座椅上有防振垫。其中支架缓冲器只对较大的冲击减振效果明显, 防振垫的作用又比较有限, 综合减振效果并不好。现在可以考虑将座椅材料换成泡沫铝, 利用该材料的超轻型、阻尼、冲击吸能特性,再辅以减振垫, 即减轻了座椅重量, 又能够有效优化航天员所处的力学环境, 可谓一举两得。 抗冲击舱底某航天器的回收舱在返回着陆时的正常姿态是舱底着地, 为了缓冲着陆时的冲击, 舱底的结构设计成中间辅以加强筋的双层蒙皮形式, 舱底的局部图如图 1 所示, 内层铝蒙皮厚度为 5~, 该层既要完成回收舱密封功能, 又要用来支撑外部结构。外层蒙皮厚度也为 4一 5~, 中间的加强筋为径向放射状分布的析条, 析条高 20mm, 彬条与内层蒙皮采用焊接连接, 外层蒙皮与析条用螺钉连接。这一结构形式的 p七Ikg c/ m³, 大致与水相当。该结构虽能够满足设计要求, 但结构比较复杂, 重量太大, 而且着陆中心点如果在彬条上, 会产生较大的冲击, 总体效果还不是很理想。泡沫铝材料在受冲击时有很大的冲击能量吸收值, 并且泡沫铝受冲击时的逐层塑性变形十分均匀, 因此设想将其应用在回收舱的舱底上, 以期达到更好的效果。这里设想了两种方案: 一是用泡沫铝替代现有的加强朽条, 并使彬条间距变小, 提高整体均匀性, 再减薄外蒙皮的厚度, 重量肯定会减轻, 同时又能提高舱底的整体性能, 结构如图 2。也可以结合材料特性考虑设计出网状或其它适当形式的加强结构, 连接方式考虑采用粘接; 二是两层铝蒙皮间全部用泡沫铝填充, 形成夹层结构。这样舱底的结构性能会大大提高, 内外蒙皮的厚度可以大幅减薄, 舱底重量仍然可以减轻。这种结构可以充分发挥泡沫铝材料自身的性能优势, 使舱底的功能得到加强, 可靠性大大