Применение магния и его сплавов в авиации и космонавтике

Магний широко используют в двигателях, корпусах и шасси самолетов. Основными факторами, определяющими использование магния, являются высокая удельная прочность в случае отливок и высокая удельная жесткость в случае деформированных изделий в сочетании с такими факторами, как высокие свойства при повышенных температурах, высокие усталостные и ударные свойства, а также хорошая обрабатываемость резанием. Стоимость здесь не является решающим фактором ввиду того, что каждые 45 кг сэкономленной массы дают дополнительный доход на авиалинии несколько тысяч фунтов стерлингов в год. Самолетостроение является очень важным рынком сбыта для магния и стимулирует разработку литейных сплавов с высоким сопротивлением ползучести, а также сплавов, содержащих цирконий.
Корпуса самолетов и корпуса редукторов. Чтобы проиллюстрировать степень применения отливок из магниевых сплавов в английском самолетостроении, можно воспользоваться примерами конструкций самолетов «Комета», «Британия» и «Трайдент», каждый из которых содержит несколько сот отливок из магниевых сплавов.
Большинство литых деталей, используемых в конструкциях самолетов, получают литьем в землю. Литье в металлические изложницы используется реже.

Деформируемые магниевые сплавы находят в Англии следующее применение. Бомбардировщик «V» содержит около 1 т листов, главным образом из сплава ZW3. Вертолет S55 имеет обшивку из того же сплава (120 кг) (рис. 293). Другие английские вертолеты содержат большое число поковок из сплава ZW3 (рис. 294). Рычаг рулевого управления из сплава AZM, полученный путем ковки, показан на рис. 294, г. Сварные конструкции из листа и труб, изготовленных из сплава ZW1 (рис. 295), были использованы в турбовинтовом самолете «Британия», а также для сидения штурмана-наблюдателя в самолете «Биверли». Самолет «Гнат» имеет панели и обширные воздухопроводы (рис. 296) также из сплава ZW1. Используются также сварные трубчатые сидения в самолетах, например в «Виска-унте».

В США деформируемые магниевые сплавы нашли значительно большее применение. Экспериментальный самолет F80C с монококовой конструкцией крыла в основном сделан из магния (рис. 297). На рис. 298 показано упрощение конструкции фюзеляжа самолета в результате применения магния. Наиболее хорошо иллюстрируется применение магния в конструкциях самолетов США, по-видимому, на примере бомбардировщика В36, На рис. 299 показаны места, в которых применяется магний в самолетах этого типа. На рис. 300 показано использование магния в некоторых других военных самолетах. Бомбардировщик В36 содержит около 3400 кг магниевых листов и около 1100 кг магниевых отливок, прессованных изделий и поковок, не считая двигателей, колес, тормозов и другого вспомогательного оборудования Общее количество магниевых сплавов, примененных в этом самолете, составляет около 8600 кг. Замена магния алюминием увеличила бы общую массу приблизительно на 4,5 т. Другой бомбардировщик В52 содержит 635 кг листов, 90 кг прессованных изделий и свыше 200 кг отливок из магниевых сплавов.
Удачным примером монококовой конструкции из магния является обшивка фюзеляжа экспериментального скоростного самолета «Скайроккет» (рис. 301).

Пол, сделанный из прессованных изделий сплава ZK60, используется в «Глобемастерс» и грузовом «Сьюпер констеллыйшнз».
Следует упомянуть также беспилотный реактивный самолет мишень «Файерби». Около 1/3 его конструкции состоит из листов сплава AZ31-H24 и прессованных изделий из сплава AZ31. Один из этих самолетов сбивали в море, извлекали, промывали, восстанавливали и вновь использовали 21 раз.
В США производятся крупные прессовки, например, для самолета В47 и реактивного двигателя J33.
Двигатели. Типичными деталями из магниевых сплавов в двигателях являются воздухозаборники — отливки из сплавов AS, RZ5 и ZRE1, корпус диффузора и компрессора отливки из сплавов ZRE1, ZT1 и НК31, поковки из сплава ZTY; основные поддерживающие плиты — отливки из сплава ZT1.
Турбовинтовой двигатель «Дарт», используемый в пассажирских самолетах «Вискаунт» и «Газель», содержит около 80 магниевых отливок, что составляет около Vs массы двигателя.
Магниевые сплавы используют также в поршневых двигателях, например для картера двигателя в «Джипси Куин» и для задней крышки двигателя «Сентаурус». В обоих примерах использовался сплав AZ91.
По мере повышения рабочих температур реактивных двигателей создается тенденция к ограничению применения отливок из магниевых сплавов в воздухозаборниках и в деталях компрессора. Однако для изготовления картера компрессора продолжают использовать поковки из сплава ZTY.
Почти все отливки для авиационных двигателей получают литьем в землю. Отливкой в кокиль получают крышки камер сгорания из сплава ZREI и детали турбовинтовых и реактивных двигателей из сплава RZ5.

Колеса. Колеса шасси из литейных магниевых сплавов применяют в самолетах в течение многих лет Сначала использовали обработанный на твердый раствор сплав А8, затем колеса стали отливать из сплава Z5Z или в небольшом объеме изготавливали из поковок сплава ZW3 (рис. 302). Высокое качество поверхности обода колеса и однородность усталостных свойств в отливке в сочетании с хорошей устойчивостью против ударных нагрузок и малой чувствительностью к надрезу как при ударных, так и при усталостных нагрузках являются важными факторами применения магниевых сплавов для изготовления колес.
Некоторые носовые колеса и колесные фланцы отливают в кокиль из сплава А8.
Бортовое оборудование и груз. Небольшие магниевые детали часто используют в системах навигации, связи, вентиляции и герметизации, внутренней арматуры и распределения и т. д. Из магниевых сплавов изготавливают и такие детали, как телевизионные камеры (рис. 303).
Военно-воздушные силы США используют изготовленные из магниевых сплавов геодезические конструкции очень больших размеров (рис. 304). Одна из них представляет собой полусферу диаметром 15 м, массой всего лишь 550 кг без покрытия из пластика. Другая размером 24x15x10 м весит 680 кг без покрытия и может быть установлена без крана.

Управляемые снаряды и исследование космоса. Некоторые свойства магния, имеющие значение для управляемых снарядов и использования в космосе. В дополнение к высокой прочности и жесткости при минимальной массе в сочетании с хорошей технологичностью к материалам, предназначенным для использования в конструкциях управляемых снарядов и космических аппаратов, предъявляются и другие требования. Условия полета в космосе являются очень жесткими. Они включают в себя аэродинамический нагрев до высоких температур, внезапное попадание в тень, близость некоторых компонентов к ожижженному топливу, наличие озона в верхней атмосфере, бомбардировку жесткой электромагнитной радиацией, частицами высоких энергий и микрометеоритами, вакуум до 10в-11 мм рт. ст. и т. д.

Магний обладает довольно высокими теплопоглотительными свойствами (табл. 83). Так, по температуропроводности магний не уступает ни одному из конкурирующих с ним металлов, вследствие чего температуры, возникающие при передаче на поверхность магния данного количества тепловой энергии, относительно низки. Это иллюстрируется гипотетической кривой нагрева (рис. 305). Кроме того, в связи с тем, что произведение упругого модуля на коэффициент расширения (модуль термического напряжения) является низким, неоднородный нагрев компонентов будет вызывать относительно низкие термические напряжения.

Так как давление паров магния составляет порядка 10в-7 мм при 200° С, то можно ожидать медленной сублимации магниевых сплавов при весьма умеренных температурах на Луне и в межпланетном пространстве. Без сомнения, этот эффект может быть подавлен использованием подходящих нелетучих покрытий, в частности анодирующей обработки НАЕ.
Эмиссионная способность поверхности является важным свойством при космических полетах. Она может контролироваться применением соответствующих покрытий. Так, магниевая сфера спутника «Вангуард» была покрыта наряду с прочими материалами пленкой двуокиси кремния толщиной 6000А для облегчения излучения поглощенной солнечной энергии в диапазоне 10 мкм при 20° С. Контролируемая эмиссионная способность в пределах 0,15—0,96 может быть получена с помощью окрашивающих пленок при соответствующем выборе пигмента. Краски с низкой эмиссионной способностью могут быть использованы для уменьшения радиационной передачи тепла радиолокатору, вычислительному устройству и электронному оборудованию от поверхностей, подверженных аэродинамическому нагреву.

Для некоторых целей, например для изготовления корпусов электронного оборудования, применяют литейные магниевые сплавы с высокой демпфирующей способностью. Так, отливки из сплава ZA (K1A) использовали в контрольном оборудовании на управляемом снаряде «Найк-Геркулес».
Другие ценные качества магния как материала для космоса — хорошие свойства на растяжение в условиях быстрого нагрева и нагружения и отсутствие какого-либо перехода из пластичного в хрупкое состояние при низких температурах.
Исследовательские ракеты и управляемые снаряды. Детали, отлитые в землю, из сплава ZRE1 используют в исследовательских ракетах «Скайларк», впервые запущенных во время Международного геофизического года.
Об английских управляемых снарядах имеется ограниченная информация, тем не менее известно, что отливки из сплавов Z5Z и RZ5 широко используют в качестве элементов конструкций. У одного из снарядов рули и труба корпуса изготовлены из прессованного сплава ZW6. Отливки из сплава MSR и поковки из сплава ZTY, вероятно, найдут широкое применение в будущем.

В США широко распространено применение магния в управляемых снарядах. Некоторые наиболее важные случаи перечислены в табл. 84. На рис. 306 показано, в каких местах используются магниевые сплавы в управляемых снарядах «Титан», «Юпитер», «Тор» и «Поларис». Общее содержание магния в «Титане» составляет около 900 кг, причем около 40% оболочки составляют листы из сплавов НМ21 и НК31. Имеются также прессованные изделия из сплава НМ31. Листы из сплава HM21 могут подвергаться кратковременному нагреву до 375—425° С. Особый интерес среди небольших снарядов представляет «Фалькон» (рис. 307), в котором 90% конструкции состоит из магниевых сплавов. «Мэйс» содержит 435 кг магниевых сплавов. «Бомарк» содержит 90 кг листов магниевоториевых сплавов, образующих ведущие и хвостовые кромки поверхностей крыльев и рулей, и, кроме того, прямоточный реактивный двигатель содержит листы из магниевоториевого сплава и свыше 145 кг отливок из сплавов HK31 и ZRE1. «Снарк» содержит 680 кг листов AZ31 и 140 кг отливок. В «Тэлосе» передний обтекатель изготовлен из листов магниевого сплава НМ21 (рис. 308), а внутренний корпус — из листов и отливок сплава НК31. В этом случае способность магниевых конструкций противостоять без коробления резкому снижению давления делает магниевые сплавы более предпочтительными, чем сплавы на основе титана, алюминия или стали. «Найк-Геркулес» (рис. 309), содержащий 18 кг магниевых листов и 135 кг отливок, представляет особый интерес в связи с используемым в нем подвижным контрольным электронным оборудованием. Данное оборудование включает свыше 1350 кг отливок из магниевых сплавов, в том числе и отливку массой 680 кг.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США широко использует магниевые сплавы для изготовления рулей и переходных поверхностей запускаемых с воздуха исследовательских сверхзвуковых ракет, достигающих скоростей вплоть до 15 Маха. Хвостовые рули этих ракет состоят из листов сплава AZ31 с ведущими кромками из полосок сплава Инконель с подкладкой из меди (рис. 310). Магниевые сплавы используют ввиду их малой плотности, высокой теплопоглотительной способности, демпфирующей способности, легкости и экономичности изготовления изделий. Широко использует магниевые сплавы для исследовательских ракет Национальный консультативный комитет по авиации (рис. 311). Третья ступень запускающей спутники ракеты «Скаут» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства имеет оболочку из магниевых сплавов.
В ходе выполнения программы США по управляемым снарядам было разработано много методов обработки магниевых сплавов.

Ракеты для запуска искусственных спутников. Выше упоминалось об изготовлении из магниевых сплавов оболочки в ракете «Скаут» Н.А.С.А. В запускающей ракете «Вэнгуард» (рис. 312) магниевые сплавы используют для оболочки второй ступени, для промежуточной секции и для хвостовой камеры сгорания. Об использовании магниевых сплавов в качестве конструкционного материала в ракете «Редстоун» сведений не имеется, однако предполагается, что их используют в наводящей системе. Точно также магниевые сплавы не используют в конструкции «Атласа», но применяют для вычислительного устройства и контрольного отсека и для платформы начального наведения
Вспомогательное оборудование. Магний широко используют в электронном оборудовании, связанном с управляемыми снарядами. Относящиеся к этому случаю отливки для «Найк-Геркулес» уже упоминались. В других случаях применение магниевых сплавов обусловлено требованиями легкости и быстрой сборки оборудования. Отливки из магниевых сплавов используют для изготовления изоляции от вибраций каркасов внутренних конструкций, корпусов редукторов, держателей катодов ламп и т. д. Магниевые сплавы используют также для изготовления трейлеров, контейнеров, катушек лент для самописцев, дисков памяти счетнорешающих приборов, волноводов, параболических антенн. Высокие требования предъявляются к точности изготовления волноводов. Один из волноводов изготавливают точным литьем, другие — из прессованных полуфабрикатов.

Спутники и межпланетные станции. Американские спутники в значительной степени состоят из магния. «Вэнгуард» имеет диаметр 50 см и весит 9,75 кг. Он сделан из двух полусферических листовых оболочек толщиной 0,7 мм, изготовленных из сплава AZ31. Полусферы получают вытяжкой при температуре около 350° С за один удар. Каждую оболочку обкатывают до требуемой формы при 315° С и затем обрабатывают резанием до конечной толщины на точном чугунном шаблоне. После полировки и покрытия обе половинки собирают с помощью крошечных ювелирных винтов. Другая деталь из магниевого сплава на спутнике «Вэнгуард» — это барокамера, получаемая путем обкатки из плоской плиты и свариваемая на месте, а также трубчатый каркас Чтобы получить желаемое сочетание высокой отражательной способности (для легкости слежения) и достаточной эмиссионной способности, на магниевые оболочки после полировки наносят пять слоев Au, Cr, SiO, Al и SiO в указанной последовательности.
Спутник «Дискаверер» имеет длину 5,8 м и диаметр 1,5 м. Он содержит свыше 270 кг магниевоториевых сплавов, что составляет более чем 1/3 общей массы спутника (680 кг). Помимо 90 кг листов сплавов НМ21 и НК31, в спутнике имеется 180 кг отливок и прессованных изделий (20 типов). Оболочка и обтекатели изготовлены из листов сплава НМ21—Т8 толщиной 1,8—3,6 мм с допуском ±0,05 мм с тем, чтобы обеспечить контроль массы. Использование магниевых сплавов в «Дискаверере» дает возможность уменьшить массу по сравнению с использованием титановых сплавов на 25% и даже более в случае использования сталей.
Первый спутник «Эхо», состоящий из пластмассового шара диаметром 30,5 м, содержал магниевую сферу диаметром 5,7 м, весящую 11 кг и изготовленную из магниевых листов, плит и прессованных полуфабрикатов. Запускающая ракета «Тор» содержит значительное количество магния, главным образом в виде отливок.
Спутник связи «Гелстар» содержит около 13,5 кг магния в виде труб из сплава ZK21 (Mg—2% Zn—0,6% Zr), а также листов и прессованных изделий из сплава AZ31 (рис. 313).
У «Эксплорера III» корпуса приборов отлиты из магния. «Пайэнир V» имеет детали из листов и плит магниевых сплавов. Межпланетная станция «Сервэйер», предназначенная для исследования поверхности Луны, будет состоять в основном из магния.
Капсула «Меркурий» сделана из титана и бериллия в связи с тем, что должна возвращаться в плотные слои атмосферы, однако в ней использован магний для вспомогательного оборудования — камеры, ленточных самописцев и катушек.