Может ли нержавеющая сталь заменить титан на скоростях 3+ Маха?

И у МиГ-25, и у МиГ-31 были двигатели, которые перегревались и повреждались на скорости выше 2,83 Маха, поэтому оба самолета были ограничены этим. Типичные скорости были ближе к 2,5 Маха, чтобы продлить срок службы самолетов. Наибольший аэродинамический нагрев приходится на передние кромки. Вполне возможно, что в конструкции МиГа использовался титан в этих областях, но в большинстве других областей была выбрана сталь, которая была дешевле и с ней было проще работать. Это позволило бы самолету развить скорость, близкую к SR-71, даже если бы двигатели не могли поспевать за ним.

SR - 71 был разработан для крейсерской скорости до 3,3 Маха на высоте 80 000 футов, что соответствует высоте МиГов. Нагрев атмосферы связан с кубом скорости. 3,3 Маха выделяет на 10% больше тепла, чем 3,2 Маха, а SR-71 достиг как минимум 3,5 Маха. Вроде СР-71 летал быстрее и выше МиГов.

Тем не менее, тепло — это только одно из соображений. Еще одна большая проблема — вес. Сталь, как правило, намного тяжелее аналогичной конструкции из титана. Масса пустого SR-71 была примерно на 40% выше, чем у МиГ-31, но взлетно-посадочная полоса была на 70% выше. Это позволяет гораздо больше полезной нагрузки для оборудования миссии, но и топлива. МиГи были разработаны для перехвата или разведки на относительно небольшие расстояния, имея дальность полета без дозаправки не более 2000 км. МиГ-31 мог пролететь 3000 км, но только с подвесными баками. SR-71 был разработан как дальний разведывательный самолет и имел дальность полета 5400 км, что позволяло ему совершать длительные полеты над территорией противника.

Еще одним соображением является размер. SR-71 был больше, чем МиГ-25 или МиГ-31. Он имел размах крыла 17 м по сравнению с 14 м у МиГов и длину 33 м по сравнению с 20 м и 23 м у МиГов. Это означает более высокие нагрузки на конструкцию самолета.

Отметим некоторые свойства стали и титана. Для стали мы выбираем сплав 4340 (закалка в масле и отпуск); для титана мы используем сплав Ti-6Al-4V (термически обработанный на раствор и состаренный). Это не «обработка по умолчанию» ни для одного из материалов, но они выставляют их обоих в хорошем свете. Обратите внимание, что для титана разница между низкосортным и высокосортным не так значительна, как для стали.

                     | Сталь Титан
-------------------------------------------
Плотность: | 7,85 4,43 г/см3
E-модуль: | 200 119 ГПа
Предел текучести: | 1520 1103 МПа
Тепловое расширение: | 12,3 8,6 10^-6 К^-1
Теплопроводность | 44,5 6,7 Вт/мК
Стоимость | 3,60+ 66-154 долларов США/кг

^{Данные взяты из Callister & Rethwisch, "Material Science and Engineering", 2011, и matweb .}

Во-первых, сразу понятно, зачем рассматривать замену титана; это умопомрачительно дорого. Но хороша ли альтернатива?

Давайте посмотрим, какие напряжения может вызвать нагрев. Рассмотрим для простоты однородный стержень, защемленный с обоих концов, нагретый разностью температур$\Delta T$. Напряжение, возникающее в результате этого перепада температур$\sigma = E\alpha_l\Delta T$с$\alpha_l$коэффициент теплового расширения. Переписываем для максимально допустимого$\Delta T$приравнивая$\sigma$к пределу текучести,$\sigma_y$.

Благодаря низкому тепловому расширению титан здесь является явным победителем, почти в два раза превышающим максимально допустимую разницу температур, 1078 кельвинов против 618. Однако обратите внимание, что сталь имеет значительно более высокую теплопроводность, поэтому она может передавать тепло . более эффективно (за счет того, что вещи становятся горячими там, где вы этого не хотите...).

Конечно, для различных других частей существуют разные рекомендации; при простом растягивающем нагружении мы могли бы максимизировать${\sigma_y}/{\rho}$с$\rho$плотность (титан на ~25% лучше стали); в сжатии мы могли бы хотеть${\sqrt{E}}/{\rho}$если учесть коробление (титан на ~35% лучше, чем сталь). Ключевым моментом здесь, однако, является то, что ни один из них не подходит для титана, особенно если мы рассматриваем сталь, которая просто отожжена или прокатана, а не подвергается специальной обработке. В основном это связано с его низкой плотностью. Поскольку заставить самолет летать со скоростью 3 Маха — довольно сложная инженерная задача, цена материалов может быть меньшей проблемой, и просто создать осуществимую конструкцию из любого материала — довольно сложная задача.

Суть однако в том, что все невозможно, пока кто-то не сделает это, но пока не будет очень хорошего стимула делать сверхзвуковой самолет из стали, этого не произойдет.

Был сверхзвуковой самолет, сделанный из стали, XB-70 Valkyrie , там с SR-71 в эксклюзивном клубе самых удивительных самолетов. Он был сделан из нержавеющей стали / сот (с добавлением небольшого количества титановой конструкции).

Возьмите самую прочную сталь, самый прочный алюминий и самый прочный титан и сравните их соотношение прочности и веса. Вы обнаружите, что сталь в 3 раза тяжелее алюминия, но и в 3 раза прочнее: у них одинаковое соотношение прочности к весу, которое оказывается таким же и для титана. Титану труднее всего придать любую желаемую форму, в то время как нержавеющая сталь — это хорошо известное, доброкачественное животное: легко сваривается, нет проблем с усталостью, если напряжения поддерживаются ниже уровня усталости и т. д.

Таким образом, при равном соотношении прочности к весу вы можете сделать стальную конструкцию такой же легкой, как алюминиевая. То есть если конструкция нагружена на растяжение, как сосуд высокого давления - чем собственно и является фюзеляж. С металлическим листом, нагруженным на сжатие (например, верхняя обшивка крыла), лист прогибается до того, как достигнет предела текучести: здесь помогают только более толстые листы, а не более прочные. Вот почему алюминий выигрывает при изготовлении среднестатистического реактивного самолета для отдыха.

Больше информации в этом превосходном ответе от Питера Кемпфа.