Mengapa Aluminium Membawa Rangka Udara
Kerangka kapal terbang komersial masih kebanyakannya aluminium mengikut jisim. Sebabnya bukan satu sifat tetapi gabungan: ketumpatan kira-kira 2.7 g setiap sentimeter padu, kekuatan tegangan melebihi 400 MPa dalam suhu kekuatan yang lebih tinggi, rintangan keletihan yang baik apabila spektrum beban difahami, dan pangkalan pembuatan yang mempunyai pengalaman membentuk, pemesinan dan memukau berdekad-dekad di belakangnya. Struktur komposit telah mengambil bahagian yang semakin meningkat dalam struktur utama, tetapi aluminium terus mendominasi kulit fiuslaj, tali, bingkai, rusuk dan kebanyakan struktur sayap, di mana panel logam yang dikaku adalah cekap dan tahan kerosakan.
Keluarga Aloi Rangka Udara Utama
| Aloi | Keluarga | Perangai tipikal | Peranan kerangka pesawat |
|---|---|---|---|
| 2024 | Al-Cu-Mg | T3, T351, T42 | Kulit fiuslaj dan struktur didominasi-ketegangan |
| 7075 | Al-Zn-Mg-Cu | T6, T73, T7351 | Sayap spar, kelengkapan, anggota kekuatan tinggi |
| 7050 | Al-Zn-Mg-Cu | T7451 | Bahagian tebal di mana keliatan secara mendalam penting |
| 2219 | Al-Cu-Mn | T81, T87 | Suhu tinggi dan struktur boleh dikimpal |
| 6061 | Al-Mg-Si | T6, T651 | Struktur sekunder, kurungan, kelengkapan |
Had komposisi dan sifat untuk gred ini diterbitkan dalam ASTM B209 untuk helaian dan plat, dengan 2024 dan 7075 lazimnya dipetik pada kekuatan tegangan minimum masing-masing kira-kira 470 MPa dan 570 MPa dalam suhu yang dinamakan di atas. Pertukaran-di seluruh jadual adalah sentiasa kekuatan melawan keliatan dan rintangan kakisan: 7075 dalam T6 ialah yang paling kuat daripada kumpulan, manakala T73 dan T7451 suhu berlebihan mengorbankan sedikit kekuatan untuk meningkatkan ketahanan terhadap tekanan retakan kakisan dan meningkatkan keliatan patah.
Suhu, Ketinggian dan Tingkah Laku Kriogenik
Keadaan pelayaran meletakkan kerangka pesawat pada suhu rendah dan tekanan rendah, dan aluminium mengendalikan kedua-duanya dengan baik. Pekali pengembangan terma aloi ini adalah sekitar 23 juta per darjah Celsius, yang dicirikan dengan baik dan diambil kira dalam reka bentuk pemasangan dan pengedap dan bukannya sebagai faktor pengehad. Aloi aluminium mengekalkan keliatan berguna pada suhu kriogenik, itulah sebabnya ia telah lama digunakan untuk tangki kriogenik, dan kekonduksian terma dalam julat 120 hingga 190 watt per meter-kelvin membantu mengagihkan haba daripada zon panas ke dalam struktur sekeliling. Berat yang disimpan dalam kerangka pesawat diterjemahkan terus kepada pembakaran bahan api, jadi setiap kilogram yang dikeluarkan daripada struktur mempunyai manfaat pengkompaunan sepanjang hayat pesawat.
Enjin, Haba dan Penggantian Bahan
Aluminium bukan bahan suhu tinggi. Di atas kira-kira 120 hingga 150 darjah Celsius ia mula kehilangan kekuatan, dan takat lebur aloi biasa adalah berhampiran 660 darjah Celsius. Oleh itu, dalam pemasangan enjin, aluminium muncul di hujung sejuk: bilah kipas dalam bentuk palsu, sarung pemampat, perumah kotak gear dan pelekap aksesori, manakala bahagian panas menggunakan aloi nikel dan titanium. Selimut terma aluminiasi dan kerajang reflektif digunakan di sekeliling nacelles dan unit kuasa tambahan untuk mengurangkan haba sinaran yang mencapai struktur aluminium, dan perisai haba menggunakan pemantulan dan kekonduksian logam berbanding kekuatannya.
Keletihan, Menyertai dan Berakhir-dari-Pemulihan Kehidupan
Reka bentuk keletihan mengawal kebanyakan kerja perincian kerangka udara. Spektrum beban ditakrifkan, kepekatan tegasan pada lubang pengikat dikawal oleh kerja sejuk dan kesesuaian gangguan, dan selang pemeriksaan ditetapkan daripada data pertumbuhan retak dan bukannya daripada had daya tahan yang mudah. Rivet dan bolting kekal sebagai kaedah cantuman yang dominan untuk struktur aluminium kerana ia mengelakkan haba-zon terjejas yang akan dihasilkan oleh kimpalan dalam umur kekuatan tinggi-aloi yang mengeras. Pada penghujung hayat perkhidmatan, kerangka pesawat dibongkar dan pecahan aluminium dipisahkan dan dicairkan semula; aloi aluminium mengekalkan nilai pengaloiannya pada pencairan semula, jadi logam kerangka udara yang dipulihkan kembali ke dalam aloi sekunder dan ke dalam produk tempa baharu bergantung pada amalan pengasingan.
Soalan Lazim
Q:Mengapa 7075 tidak digunakan untuk kulit badan pesawat?
J: 7075 lebih kuat tetapi mempunyai keliatan yang lebih rendah dan rintangan yang lebih lemah terhadap kakisan tekanan dalam keadaan T6, jadi kulit biasanya diperbuat daripada aloi jenis 2024 dengan toleransi kerosakan yang lebih baik.
Q:Apakah perubahan perangai T73?
J: Ia adalah rawatan berlebihan yang digunakan pada aloi 7xxx yang mengurangkan sedikit kekuatan tetapi meningkatkan daya tahan terhadap tekanan retakan kakisan dan meningkatkan keliatan patah.
Q:Adakah kerangka udara aluminium boleh dikitar semula?
A: Ya. Aluminium mengekalkan kandungan pengaloiannya semasa pencairan semula, dan kerangka udara yang dibongkar adalah sumber yang diiktiraf bagi sekerap bernilai tinggi apabila salutan dan bahan campuran diasingkan.
Q:Bolehkah aluminium kerangka udara dikimpal dan bukannya dipaku?
J: Sesetengah gred boleh kimpal seperti 2219 dicantumkan dengan kimpalan, tetapi umur kekuatan tinggi-kulit yang mengeras biasanya diikat kerana kimpalan merendahkan-zon terjejas haba.
Q:Mengapa aluminium mengendalikan suhu pelayaran sejuk dengan baik?
A: Aloi ini mengekalkan kekuatan dan keliatan pada suhu rendah, dan pengembangan haba mereka dicirikan dengan baik, jadi rendam sejuk adalah input reka bentuk dan bukannya had bahan.
Q:Apakah yang mengehadkan aluminium dalam aplikasi enjin?
A: Suhu perkhidmatan. Kekuatan berkurangan melebihi kira-kira 150 darjah Celcius, jadi aluminium terhad kepada bahagian sejuk enjin dan struktur kerangka udara.