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鋁型材在航空航天中的運用
2024-09-26 14:57:35

1969 年 7 月 20 日,阿波羅 11 號任務以尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林將阿波羅登月艙鷹號降落在月球上而告終——這項任務醞釀了幾十年,實際上結束了太空競賽。到達月球需要在 Gemini 計劃下開發新的先進技術——鋁是這些努力成功的關鍵材料。

太空發射

土星五號火箭被認為是歷史上最偉大的工程成就之一,因為它的尺寸和有效載荷能力遠遠大于當時成功飛行的任何先前火箭。土星五號由三級組成(所有級都使用液氧作為燃料),由于其高強度、低重量的特點,它主要由鋁制成。美鋁公司是該計劃的主要供應商,僅為土星五號火箭系列就提供了超過 100 萬磅的特種鋁合金 2219。

土星五號(Saturn V)(稱為 S-IC)的第一階段由波音公司建造,并采用了當時美國生產的最大鋁鍛件(14 英尺長,1,799 磅重)作為推力結構。第二級 (S-II) 由北美航空建造,設計有一個由酚醛樹脂制成的蜂窩結構制成的單個公共艙壁,夾在兩塊鋁板之間。使用通用隔板減輕了 7,900 磅的重量。第三級 (S-IVB) 由道格拉斯飛機公司建造,包括一個液氧罐和一個液氫罐,它們由一個由兩個鋁制圓頂制成的公共隔板隔開,該隔板由蜂窩絕緣層隔開。

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1964 年 10 月,Margaret W. 'Hap' Brennecke 在馬歇爾太空飛行中心的制造和工程實驗室審查藍圖。照片:NASA。

這些進步要歸功于 Margaret W. 'Hap' Brennecke 等工程師,她是第一位在 NASA 馬歇爾太空飛行中心材料和工藝實驗室工作的女性焊接工程師。特別是,她是鋁合金的先驅。在整個土星時代,布倫內克“在為巨大的土星級選擇輕質高強度金屬和焊接技術方面做出了關鍵決定。具體來說,Brennecke 為解決獲得所需熱處理、冷加工和金相組織的問題提供了冶金工程支持,從而在低溫燃料箱的厚鋁焊縫中實現了高強度和可靠性。她還為重要的研究工作做出了貢獻,從而為這些高強度鋁合金實現了最佳的熱時效處理。

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為阿波羅 11 號登月任務發射土星五號火箭,宇航員尼爾·阿姆斯特朗 (Neil A. Armstrong) 擔任指揮官;邁克爾·柯林斯(Michael Collins),指揮艙飛行員;以及登月艙飛行員 Edwin E. Aldrin Jr.。照片:NASA。

指揮和服務模塊

指揮和服務模塊 (CSM) 由兩個不同的單元組成。指揮艙容納機組人員、航天器操作系統和再入設備,而服務艙則攜帶大部分消耗品(氧氣、水、燃料等)和主推進系統。

指揮艙是一個錐形壓力容器(底部最大直徑 3.9 m,高度 3.65 m),由鋁蜂窩夾層粘合在鋁合金板之間,并帶有釬焊不銹鋼制成的健康防護罩。美國宇航局 (NASA) 關于該模塊建造的一篇論文指出:

內部乘員艙由兩個組件組成:艙室結構和系統支撐結構。隔間結構由鋁制成,分為兩部分。前部由通道、前艙壁和前側壁組成。船尾部分由一個船尾側壁、一個船尾艙壁和一個圓周機加工環組成。這兩個部分連接在一起時,形成航天器的壓力容器。

前部焊接內蒙皮由面板、四個機加工縱梁、窗框、機加工的圓周環和配件制成。鋁蜂窩芯和外面板與內皮熱粘合,并在巨大的高壓釜(類似于巨大的高壓鍋)中固化。然后將附件和配件粘合到結構上,以安裝系統支撐結構、布線、管道和其他設備。連接到前艙壁的通道包括一個用于安裝對接環的前環、壓力艙口蓋和外部框架,用于吸收降落傘展開和恢復吊索的負載。

船尾部分焊接內蒙皮由面板、機加工環和熔焊艙壁制成。鋁蜂窩芯和外面板與內皮熱粘合,并在巨大的高壓釜中固化。外部框架和內部附件粘合到系統支撐結構的結構上。

當前后組件在環上進行圓周修剪和熔焊時,內部乘員艙就完成了。最終組裝操作是鋁蜂窩芯填料和飾面板的粘合。

服務艙連接到指揮艙的背面,是一個圓柱體(直徑 3.9 m,長 7.6 m),外皮由 2.5 cm 厚的鋁蜂窩板制成。內部由銑削的鋁制徑向梁分成六個部分,圍繞一個中央圓柱體。

登月艙

阿波羅計劃中使用的鷹登月艙幾乎完全由鋁制成。例如,乘員艙主要由鋁合金組成,配件和緊固件由鈦制成。美鋁公司為該項目提供了大量的鋁材,包括內置在模塊腿中的鋁制蜂窩狀減震器,這些減震器旨在在撞擊時壓縮,從而在著陸期間保護登月艙。

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