Обшивка самолета — это внешняя поверхность, которая покрывает большую часть его крыльев и фюзеляжа . [1] Наиболее часто используемыми материалами являются алюминий и сплавы алюминия с другими металлами, включая цинк , магний и медь .
В течение двадцатого века алюминий стал основным металлом в самолетостроении. Блок цилиндров двигателя, который приводил в действие самолет братьев Райт в Китти-Хок в 1903 году, был цельным литьем из алюминиевого сплава, содержащего 8% меди; алюминиевые лопасти пропеллера появились уже в 1907 году; а алюминиевые крышки, сиденья, капоты, литые кронштейны и подобные детали были обычным явлением к началу Первой мировой войны.
В 1916 году Л. Бреке спроектировал разведывательный бомбардировщик, который ознаменовал первое использование алюминия в рабочей структуре самолета. К концу войны союзники и Германия использовали алюминиевые сплавы для структурного каркаса фюзеляжа и крыльевых узлов. [2]
Планер самолета был наиболее требовательным применением алюминиевых сплавов; чтобы вести хронику развития высокопрочных сплавов, также необходимо зафиксировать развитие планеров самолетов. Дюралюминий , первый высокопрочный, термообрабатываемый алюминиевый сплав, изначально использовался для каркаса жестких дирижаблей Германией и союзниками во время Первой мировой войны. Дюралюминий был сплавом алюминия, меди и магния; он был создан в Германии и разработан в Соединенных Штатах как сплав 17S-T (2017-T4). Он использовался в основном в виде листов и пластин. Сплав 7075-T6 (предел текучести 70 000 фунтов на квадратный дюйм), сплав Al-Zn-Mg-Cu, был представлен в 1943 году. С тех пор большинство конструкций самолетов были указаны из сплавов этого типа. Первым самолетом, разработанным из 7075-T6, был патрульный бомбардировщик ВМС P2V . Более прочный сплав той же серии, 7178-T6 (предел текучести 78 000 фунтов на кв. дюйм), был разработан в 1951 году; он в целом не вытеснил 7075-T6, который имеет превосходную вязкость разрушения. Сплав 7178-T6 используется в основном в конструкционных элементах, где производительность имеет решающее значение при сжимающей нагрузке .
Сплав 7079-T6 был представлен в США в 1954 году. В кованых секциях толщиной более 3 дюймов он обеспечивает более высокую прочность и большую поперечную пластичность , чем 7075-T6. Теперь он доступен в листах, пластинах, прессованных изделиях и поковках.
Сплав X7080-T7, обладающий более высокой стойкостью к коррозии под напряжением , чем 7079-T6, разрабатывается для толстых деталей. Поскольку он относительно нечувствителен к скорости закалки , в толстых секциях можно получить хорошую прочность с низкими напряжениями закалки.
Плакирование алюминиевых сплавов изначально было разработано для повышения коррозионной стойкости листа 2017-T4 и, таким образом, для снижения требований к обслуживанию алюминиевых самолетов. Покрытие листа 2017 года, а позднее и 2024-T3, состояло из алюминия коммерческой чистоты, металлургически связанного с одной или обеими поверхностями листа.
Электролитическая защита, присутствующая во влажных или сырых условиях, основана на значительно более высоком электродном потенциале алюминия коммерческой чистоты по сравнению со сплавом 2017 или 2024 в состоянии T3 или T4. Когда появились 7075-T6 и другие сплавы Al-Zn-Mg-Cu, был разработан алюминиево-цинковый плакирующий сплав 7072, чтобы обеспечить относительный электродный потенциал, достаточный для защиты новых прочных сплавов.
Однако высокопроизводительные самолеты, разработанные с 1945 года, широко использовали обшивочные конструкции, изготовленные из толстой пластины и экструзии, что исключало использование алькладовых внешних обшивок. В результате требования к техническому обслуживанию возросли, и это стимулировало программы исследований и разработок, направленные на поиск более прочных сплавов с улучшенной стойкостью к коррозии без плакирования.
Отливки из алюминиевого сплава традиционно использовались в неструктурных элементах конструкции самолета, таких как кронштейны шкивов , квадранты , дублеры , зажимы, воздуховоды и волноводы . Они также широко использовались в сложных корпусах клапанов гидравлических систем управления. Философия некоторых производителей самолетов по-прежнему заключается в том, чтобы указывать отливки только в тех местах, где отказ детали не может привести к потере самолета. Избыточность в кабельных и гидравлических системах управления позволяет использовать отливки.
Технология литья достигла больших успехов за последнее десятилетие. Проверенные временем сплавы, такие как 355 и 356, были модифицированы для получения более высоких уровней прочности и пластичности. Новые сплавы, такие как 354, A356, A357, 359 и Tens 50, были разработаны для литья премиум-прочности. Высокая прочность сопровождается улучшенной структурной целостностью и эксплуатационной надежностью.
Точечная и шовная электросварка сопротивлением используются для соединения вторичных структур, таких как обтекатели, капоты двигателей и дублеры, с переборками и обшивкой. Трудности контроля качества привели к низкому использованию электросварки сопротивлением для первичной структуры.
Ультразвуковая сварка обеспечивает некоторые экономические и качественные преимущества для производственного соединения, особенно для тонких листов. Однако этот метод пока не получил широкого распространения в аэрокосмической промышленности.
Склеивание является распространенным методом соединения как первичных, так и вторичных структур. Его выбор зависит от философии проектирования производителя самолета. Он оказался удовлетворительным при креплении ребер жесткости, таких как шляпные секции к листу, а лицевые листы к сотовым сердцевинам . Кроме того, склеивание выдерживает неблагоприятные воздействия, такие как погружение в морскую воду и атмосферы.
Сварные плавлением алюминиевые первичные конструкции в самолетах практически не встречаются, поскольку используемые высокопрочные сплавы имеют низкую свариваемость и низкую эффективность сварных соединений. Некоторые сплавы, такие как 2024-T4, также имеют пониженную коррозионную стойкость в зоне термического влияния, если их оставить в состоянии после сварки.
Улучшенные сварочные процессы и более прочные свариваемые сплавы, разработанные в течение последнего десятилетия, предлагают новые возможности для сварных первичных конструкций. Например, свариваемость и прочность сплавов 2219 и 7039, а также паяемость и прочность X7005 открывают новые возможности для проектирования и производства авиационных конструкций.
Легкие самолеты имеют планеры в основном полностью алюминиевой полумонококовой конструкции, однако, несколько легких самолетов имеют трубчатую ферменную несущую конструкцию с тканевой или алюминиевой обшивкой, или обеими. Алюминиевая обшивка обычно имеет минимальную практическую толщину: от 0,015 до 0,025 дюйма. Хотя требования к прочности конструкции относительно низкие, обшивка должна иметь умеренно высокий предел текучести и твердость, чтобы минимизировать повреждения земли от камней, мусора, инструментов механика и общего обращения. Другими основными факторами, влияющими на выбор сплава для этого применения, являются коррозионная стойкость, стоимость и внешний вид. Сплавы 6061-T6 и alclad 2024-T3 являются основными вариантами.
Лист обшивки на легких самолетах последних конструкций и конструкций обычно изготавливается из alclad 2024-T3. Внутренняя структура включает стрингеры, лонжероны, переборки, хордовые элементы и различные крепежные элементы, изготовленные из алюминиевых профилей, формованных листов, поковок и литья.
Сплавы, наиболее часто используемые для прессованных элементов, — это 2024-T4 для секций толщиной менее 0,125 дюйма и для общего применения, и 2014-T6 для более толстых, более высоконапряженных секций. Сплав 6061-T6 широко применяется для прессованных изделий, требующих тонких секций и превосходной коррозионной стойкости. Сплав 2014-T6 является основным сплавом для ковки, особенно для шасси и гидравлических цилиндров. Сплав 6061-T6 и его ковочный аналог 6151-T6 часто используются в различных фитингах по соображениям экономии и повышенной коррозионной стойкости, когда детали не подвергаются высокой нагрузке.
Сплавы 356-T6 и A356-T6 являются основными литейными сплавами, используемыми для кронштейнов, коленчатых рычагов, шкивов и различных фитингов. Колеса изготавливаются из этих сплавов путем литья в постоянные формы или в песчаные формы. Литье под давлением из сплава A380 также подходит для колес для легких самолетов.
Для низконапряженной конструкции в легких самолетах иногда используются сплавы 3003-H12, H14 и H16; 5052-O, H32, H34 и H36; и 6061-T4 и T6. Эти сплавы также являются основным выбором для топливных, смазочных и гидравлических масляных баков, трубопроводов, приборных труб и кронштейнов, особенно там, где требуется сварка. Сплавы 3003, 6061 и 6951 широко используются в паяных теплообменниках и гидравлических аксессуарах. Недавно разработанные сплавы, такие как 5086, 5454, 5456, 6070 и новые свариваемые алюминиево-магниево-цинковые сплавы, предлагают преимущества прочности по сравнению с ранее упомянутыми.
Сборка листов легких самолетов осуществляется преимущественно заклепками из сплавов 2017-T4, 2117-T4 или 2024-T4. Саморезы для листового металла доступны в алюминиевых сплавах, но чаще используются кадмированные стальные винты для получения более высокой прочности на сдвиг и управляемости. Сплав 2024-T4 с анодным покрытием является стандартным для алюминиевых винтов, болтов и гаек, изготовленных по военным спецификациям. Сплав 6262-T9, однако, лучше подходит для гаек из-за его фактической устойчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением. [3]