航天器结构与机构大作业

1、 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 生 姓 名:徐昊学 号:13S108131学 生 类 别:硕士考核结果阅卷人铝合金、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

2、's space industry, future spacecraft will be towards a 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 bro

3、ader application of aluminum and magnesium alloys, their spacecraft application examples are introduced.Keywords: aluminum; magnesium alloy; spacecraft; application1 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

4、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，特别是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

5、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

6、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

7、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200300但低温性能很好，随着温度下降，强度和塑性还有所增加。（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

8、，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；6070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

9、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。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

10、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。2.2 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：大型化和整体化；薄壁化和轻量化；断面尺寸和形位公差精密化；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

11、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：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。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。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

12、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。2.4铝锂合金的应用铝锂合金材料是

13、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）。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

14、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 Lig

15、ht 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。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

16、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。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

17、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 m）；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，

18、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

19、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。图 6 镁合金电子产品机箱3.2 镁合金薄板在航天器中的应用镁合金薄板在一些型号的火箭中也得到应用，如先锋火箭（Vanguard）、丘比特火箭（Jupiter）、大力神火箭（Titan ）、北极星火箭（Polaris）、阿特拉斯阿及纳火箭（Atlas·Agena）还有一些镁合金如高强耐热变形镁合金通过等温锻压工艺开发了发动机舱体，通过等温挤压生产导弹弹翼。由于镁非常活泼，所以镁合金焊接性能比较差。因此，在航天器结构中应尽量避免镁

20、合金的对焊。综合考虑各种焊接技术的焊接质量和工程化程度，目前比较适用于航天镁合金产品的焊接方法为搅拌摩擦焊（FSW）和电子束焊（EBW）。搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接工艺，用于镁合金焊接可以获得较好的焊接质量，焊缝抗拉强度可达母材的76%。另外，搅拌摩擦焊系统利用数控技术易于实现焊接过程的自动控制，可确保焊接质量稳定。由于搅拌摩擦焊对焊接工装及装配精度要求高，所以不适用于弱刚性复杂结构镁合金零件的焊接。但这种焊接工艺比较适合于航天器大型镁合金复杂结构件的毛坯料的焊接，如卫星镁合金承力底盘、安装肼瓶用的镁合金支架、镁合金大梁等。真空电子束焊接方法是在真空环境下完成镁合金的焊接，可以得到优质的焊

21、缝，焊缝强度近似于母材。高的电子束能量密度可实现较大的深宽比和较窄的焊缝，焊接应力和变形均较小，比较适合于满足航天器高精度、高质量要求的中小尺寸镁合金零部件的焊接。由于受真空室空间尺寸的限制，真空电子束焊接技术难以用于航天器大型镁合金零部件。然而，目前比较热门的局部真空电子束焊接技术却可以很好地解决这个问题。由于镁合金为致密排布的六方晶体结构，塑性变形能力差，致使其成型困难。只有很少的镁合金可以在室温下成型，而其余绝大多数镁合金需要在高温下成型。这是由于室温下镁合金的塑性很差，冷成型容易发生断裂，因此冷成型仅限于中等变形（一般在室温下的冷变形约为10%20%）。但有的研究结果表明：镁合金在一定

22、条件下可具有很高的塑性，甚至出现明显的超塑性。当晶粒细化到一定程度时，镁合金可获得相对的超塑性。镁合金超塑热成型方法适合用于航天器产品的成型研制。需要注意的是镁合金热膨胀系数大，在热成型时必须考虑模具与零件材料之间的热膨胀差异以及热膨胀的补偿。3.3 镁合金在卫星铝蜂窝夹层结构板中的应用铝蜂窝夹层结构板在卫星结构舱体中被大量使用。卫星结构舱体是通过铝蜂窝夹层结构板中埋入的不同类型的镶嵌件(埋件)将蜂窝板连接成需要的结构，埋件通常选用较轻的铝合金。目前，我国卫星的结构质量通常要占卫星总质量的12% 15%，卫星质量降低1kg，相应的运载火箭质量则可降低200300kg。因此，设计卫星结构时，一般

23、会尽量减少卫星本身质量。因此，在满足设计要求的前提下，减轻埋件的结构质量是实现卫星轻量化的重要手段。镁合金的密度小，约是铝合金的2/3，并具有良好的比强度、比模量、可再循环和良好的铸造性能等一些非常明显的优点。3.4 G04镁合金在航天器上的应用中国科学院金属研究所镁合金材料及成形技术创新课题组开发了综合力学性能优异的镁合金材料及与之配套的表面具有导电功能的化学镀层。该镁合金材料的比重小、导热性能好、力学性能高；镀层导电性能优异、材料之间的搭接电阻小，镀层光洁度高、结合力好，可经受多次冷一热循环疲劳，特别适合在航大器电控箱体上应用。多个型号的有效载荷在研制过程中，根据总体设计需要在实现功能的同

24、时必须尽量轻量化。为减重并同时保证有效载荷的功能，选用了G04镁合金作为结构材料并采用了表面镀镍手艺。G04镁合金首先成功应用在神舟飞船（SZ-6）的电控箱上，如图7a，为其减轻重量约13公斤，该零件的具体使用环境为地球表面到近地轨道的空间环境。此后，所提供的G04镁合金材料也已经成功制造出天宫-1号等其他多个型号的航天器用零部件，如图4b所示。中国科学院金属研究所采用相关技术生产制备的镁合金制品实现了轻质材料物理性能、力学性能、规格尺寸、优良的加工成形性能、长期储存和航天环境下的抗腐蚀性能等多种性能要求的综合统一，成功地在几个航天重要型号装备上使用，解决了相关系统的减重和镁合金在此类航天系统

25、服役的安全可靠性问题，圆满地完成了各自承担的航天任务，为国防军工做出了重要贡献。图7 金属研究所研制的G04镁合金材料制成的航天器零部件：（a）飞船用电控箱；（b）其他几种型号的镁合金航天器件4结论本文对铝合金和镁合金在航天器上的实际应用做了比较详细的介绍。铝合金与镁合金在航天器结构设计应用中优点明显，针对航天器的轻量化发展需求，随着镁铝合金在航天器应用中的工艺问题相继得到解决，镁铝合金在航天器上的应用将会有更广泛的发展前景。参考文献1 陈烈民. 航天器结构与机构M. 中国科学技术出版社, 2005: 232 董彦芝, 刘芃, 王国栋等. 航天器结构用材料应用现状与未来需求J.航天器环境工程, 2010; 27(1):41443 陈烈民, 沃西源 . 航天器结构材料的应用和发展J.航天返回与遥感, 2007; (3): 58614 张荣霞,曾元松.铝锂合金的发展、工艺特性及国外应用现状.航空制造技术,2007(增刊):438-441.5 尹登峰,郑子樵.铝锂合金的研究开发的历史现状材料导报，2003(2)：19-23.6 邱惠中.铝锂合金的发展概况及其应用宇航材料工艺，1993(4)：38-45.7 刘斌，陈铮铮铝锂合金的发展与应用现代机械,2001(4)：7l-75.8 潘肃铝锂合金的发展及其工艺特