Почему в авиастроении преобладает алюминий, а не сталь?

Вы правы, на первый взгляд даже удивительно, что алюминий превалирует. Это связано с некоторыми недостатками:

• Рост трещины должен стоять на первом месте в этом списке. При небольшой циклической нагрузке трещины в алюминии будут неуклонно расти. Это требует частых проверок и стало причиной многих несчастных случаев . К счастью для алюминия, этот факт был обнаружен только после Второй мировой войны, когда срок службы алюминиевых планеров взлетел с десятков до тысяч часов, так что алюминий уже прочно утвердился в качестве главного конструкционного материала.
• Для соединения двух алюминиевых деталей доступны только заклепки или болты . В последнее время связь также стала жизнеспособной. Сталь предлагает третий вариант сварки, что дает ей преимущество в автомобилестроении. Опять же, история дала алюминию фору, потому что, когда проектировались первые металлические планеры, сварка была еще относительно мало развита, поэтому ограничение на клепку не считалось недостатком.
• Коррозия: Здесь она, как правило, лучше, чем сталь, но намного хуже, чем нержавеющая сталь, которая была бы главным кандидатом (наряду с мартенситностареющей сталью ) для планеров, если бы алюминий не был доступен. Во время берлинского авиалайнера соль или разрыхлитель можно было перевозить только гидросамолетами, потому что это навсегда повредило бы наземные самолеты. В гидросамолётах использовались специальные, устойчивые к коррозии сплавы , которые были необходимы в морской среде.

В конце концов, однако, это все еще перевешивает главное преимущество алюминия: его низкая плотность. Это позволяет использовать более толстые калибры для того же веса, поэтому прочность на изгиб алюминиевых обшивок намного выше, чем у столь же тяжелых стальных обшивок. В авиации требования аэродинамики делают невозможным использование обжимных или усиливающих швов, и исправить это может только трудоемкое добавление близко расположенных элементов жесткости. Такая жесткая стальная обшивка все равно будет хуже, когда дело доходит до повреждения градом или обработки грузов, поэтому алюминий был очевидным первым выбором.

Чтобы снизить стоимость материалов, Юнкерс построил свой первый металлический самолет из стали, но ему пришлось перейти на гофрированный алюминий, чтобы сделать их достаточно легкими. Отметим, что конструктивная целостность его конструкций обеспечивалась стальной фермой, и только обшивка была из гофрированного алюминия. Более поздние конструкции с напряженной обшивкой отказались от стальной фермы.

Чтобы сравнить прочность и жесткость различных материалов независимо от их плотности, вы можете использовать их разрывную длину и удельный модуль , который можно выразить как их длину деформации. Удивительно, но большинство конструкционных металлов имеют сопоставимую стоимость, и только композиты могут выделиться.

Несмотря на свои неприятные характеристики разрушения, алюминий защитил свою позицию доминирующего конструкционного материала: к тому времени, когда композиты были разработаны, инженеры и органы по сертификации научились обращаться с алюминием и создали барьер для входа в виде множества тестов. и одобренные методы строительства, которые серьезно повредили композиты. Если бы все материалы, которые мы знаем сегодня, были доступны столетие назад, алюминиевые самолеты стали бы диковинкой, а не нормой.

Хорошее соотношение прочности и веса, технологичность, устойчивость к коррозии были движущими факторами использования алюминиевых сплавов. Однако стали используются в высокопрочных изделиях, таких как шасси. Нержавеющая сталь использовалась в некоторых планерах, таких как МиГ-25, из-за их более высокого предела текучести при нагреве.

Это действительно сводится к стоимости/выгоде.

Давайте рассмотрим два самолета, построенных из нержавеющей стали и очень хорошо себя зарекомендовавших: XB-70 и X15 . Нержавеющая сталь использовалась, чтобы противостоять нагреву при полете со скоростью 3 Маха и выше, что могло ослабить алюминий до точки отказа. В то время, когда XB70 был первоначально разработан, титана не было в достаточном количестве, чтобы рассматривать большой (100+ планеров) производственный цикл.

X15 действительно достиг скорости 6,7 Маха, при которой температура кожи была бы довольно высокой. Тем не менее, это был чисто исследовательский самолет с ракетным двигателем, поэтому он не создает должного контраста, и эта скорость поддерживалась лишь короткое время.

К началу 1960-х годов титан был доступен в достаточном количестве (хотя и с использованием подставных корпораций для покупки его у Советов), чтобы построить меньший и менее производимый A12/SR71. Как и XB-70, он был разработан, чтобы выдерживать скорость Маха 3+ более часа и последующие высокие температуры кожи, исключающие использование алюминия.

Ключевым моментом, который нужно понять здесь, является устойчивый полет со скоростью 3 Маха: более часа. Алюминиевые перехватчики, такие как MIG25, способны совершать короткий рывок со скоростью 3 Маха, пять или десять минут, когда температура кожи не будет так сильно повышаться. После десяти минут на скорости 3 Маха у МИГ-25 очень мало топлива, и его двигатели вышли из строя.

Чтобы сохранить низкий вес, в XB70 использовалась сложная сотовая конструкция, дорогая в производстве, и получившийся самолет все же был тяжелее, чем алюминиевый самолет аналогичного размера. XB70 компенсировал это, используя компрессионную подъемную силу — буквально управляя собственной сверхзвуковой ударной волной — для очень эффективного полета со скоростью 3 Маха. В двигателях A12/SR71 использовалась ударная волна для достижения аналогичного уровня эффективности.

Обратите внимание, что B-58 также использовал сотовую конструкцию для снижения веса, но был сделан из алюминия, так как его проектная скорость составляла 2 Маха. Concorde был сделан из алюминия, но его крейсерская скорость составляла 2,2 Маха. За пределами этой скорости тепло, выделяемое поверхностным трением, резко возрастает до уровня, при котором алюминий будет критически (и фатально) ослаблен.

Предположительно, коммерческий самолет, изготовленный из нержавеющей стали, также потребует сложной сотовой конструкции для достижения достаточно эффективного веса. Он все равно не будет таким эффективным, как алюминиевый самолет. Поскольку основная причина отказа от использования алюминия заключалась в том, чтобы противостоять устойчивому нагреву со скоростью 3 Маха, скорость, которую могут поддерживать только SR71 и XB70 в течение любого периода времени, очень дорогая сотовая сталь (или титан) и больший вес на самом деле не так важны. оправдано для дозвукового авиалайнера.

XB-70 был отменен, так как считалось, что он уязвим для ракеты SAM2, разработанной в Советском Союзе. По иронии судьбы, SR71 доказал, что это не так: в него стреляли более 1000 раз (включая многие SAM2) и ни разу не попали.

Да, вы можете построить самолет из нержавеющей стали. Но сотовая конструкция дорогая и в результате менее эффективна, чем алюминиевый самолет. Единственная причина, по которой сталь использовалась в этих двух самолетах, заключалась в том, чтобы выдерживать очень высокие температуры обшивки. Вы могли бы построить один из титана, и это было бы еще дороже.

Несмотря на то, что из-за усталости алюминия случались отказы планера, были разработаны контрмеры, гораздо менее дорогие и легкие, чем переход на нержавеющую сталь.

Алюминий имеет худшие усталостные свойства, чем сталь, но у него есть два важных преимущества: отношение прочности к весу и коррозионная стойкость. На заре авиации были самолеты из стали. Некоторые двигатели той эпохи также имели чугунные блоки. Но полученный вес был ужасен. Что касается коррозионной стойкости, то убедитесь сами: вы до сих пор видите в аэропортах 45-летние Боинги 727 с сияющими как новые планерами!