Человечество всегда стремилось расширить границы возможного. Небо, такое близкое и в то же время далекое, манило людей во все века. Но как подняться туда? Каким должен быть аппарат, способный преодолеть земное притяжение?
Люди столетиями искали ответы на эти вопросы и постепенно находили недостающие фрагменты – знания, материалы, которые, сложенные вместе, позволили сделать шаг вверх. И одной из самых важных частей этой мозаики стал алюминий, химический элемент Периодической системы Менделеева с «несчастливым» номером. Легкий, прочный и пластичный, он оказался идеальным материалом для создания управляемых летательных аппаратов.
Об истории металла и его современном применении
Само слово «алюминий» происходит от латинского alumen, то есть кристаллогидраты двойных солей алюминия с калием, натрием, аммонием, или, как их еще называют, квасцы. Человечество издревле использовало такие квасцы в медицине в качестве антисептика, для отбеливания тканей и других целей.
Алюминий – один из самых распространенных элементов земной коры, по этому показателю он занимает третье место после кислорода и кремния, а среди металлов – первое. В природе этот металл в чистом виде не встречается, в основном его получают из алюминиевой руды. Производители чаще используют такие ее виды, как бокситы, алуниты и нефелины. В числе мировых лидеров по добыче алюминия – Китай, Австралия, Бразилия, Гвинея, Индия и Россия.
Синтез безводного хлорида алюминия (AlCl3), сделанный Хансом Эрстедом. Репродукция из датского учебника 1853 года
Первым, кому удалось получить алюминий, был датский физик Ханс Эрстед. Произошло это в 1825 году. Новый металл ученый описал так: «Похож на олово, имеет металлический блеск и несколько сероватый цвет и очень медленно разлагается в воде». Но это пока был только единичный случай.
Следующий шаг к массовому производству алюминия произошел спустя несколько десятилетий, во второй половине 1850-х годов, и пальма первенства в этом принадлежит французскому физикохимику Анри Девилю. Впрочем, предложенный им метод не позволял выпускать алюминий в промышленных масштабах. Это стало возможным только с изобретением в 1880-х годах электролитического метода производства металла, авторами которого называют Чарльза Холла и Поля Эру. И сегодня практически весь первичный алюминий получают таким способом. По-настоящему же промышленное производство развернулось только в начале XX века.
За что же люди так полюбили этот металл?
Причин тому несколько. В природе он встречается в большом количестве, следовательно, можно говорить о его относительно невысокой цене. Он легко поддается литью и механической обработке. Кроме того, алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стоек к коррозии, а главное, легок и прочен и, таким образом, идеально подходит для производства летательных аппаратов. Неслучайно его еще называют «крылатым» металлом. Например, основные детали двигателя летательного аппарата «Флайер-1», на котором братья Райт в 1903 году совершили полет, были отлиты из алюминия.
Первый успешный полет самолета братьев Райт
В современном же самолете на алюминий приходится около 75-80% от общей массы. Это фюзеляж, закрылки, крепежные системы, элементы крыла и хвостовой части, двери и пол, каркасы пилотных и пассажирских сидений, турбины двигателей – везде присутствует алюминий.
Для получения более высоких характеристик, например, прочности, авиастроители используют сплавы алюминия с другими элементами. Один из самых известных – дюралюминий, сплав алюминия с медью, магнием, марганцем. Закаленный, он становится особо твердым, примерно в семь раз прочнее чистого алюминия и почти втрое легче железа. Распространены также силумины – сплавы алюминия с кремнием.
Алюминиевые сплавы отличаются небольшой плотностью (2500-2900 кг/м3), высокой прочностью (до 500-600 МПа), коррозийной стойкостью, технологичностью при литье, сварке. В авиации в основном востребованы сплавы серий 2ххх, 3ххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Первая, например, хорошо подходит для работы при высоких температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы же серии 7ххх нужны для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Наибольшее распространение получил сплав 7075 − алюминий, цинк, магний и медь, самый прочный из всех алюминиевых сплавов, сравнимый по этому показателю со сталью, но в три раза ее легче.
Авиаконструкторы продолжают поиски новых материалов, которые бы превзошли алюминий по легкости и прочности. В частности, своеобразным конкурентом можно считать углеродное волокно. Так, фюзеляж лайнера Boeing 787 Dreamliner полностью изготовлен из композиционных материалов, однако производство таких самолетов экономически затратнее в сравнении с алюминиевыми «собратьями». Кроме этого, углеволокно не обеспечивает нужного уровня безопасности.
Не обойтись без алюминия и при производстве космических аппаратов. Так, корпус первого искусственного спутника Земли, запущенного в нашей стране в 1957 году, был выполнен из алюминиевого сплава. В современных космических кораблях до 90% веса приходится на конструкции из алюминиевых сплавов. Нужен этот металл и для работы твердотопливных ракетных ускорителей, которые разгоняют первую ступень космических кораблей.
Крупнейший в мире производитель титана, еще одного незаменимого для авиации металла, − корпорация ВСМПО-АВИСМА – когда-то начинал с выпуска полуфабрикатов из алюминиевых сплавов для самолетов. Здесь производили алюминиевые профили для большого количества моделей советской авиатехники. Сегодня алюминиевый дивизион корпорации включает в себя производство слитков, прессованных профилей, панелей, труб, а также холоднодеформированных труб и труб для атомной промышленности.
- Применяется алюминий и в других отраслях промышленности, например автомобилестроении, где из него делают радиаторы системы охлаждения двигателя, колесные диски, бамперы, блоки цилиндров двигателя и детали кузова – капоты, двери.
- По достоинству оценили преимущества алюминия и железнодорожники: алюминиевые вагоны применяются для перевозки угля, различных руд и минералов, а также зерна, в вагонах-цистернах перевозят кислоты. Существуют также вагоны для перевозки готовых товаров, например новых автомобилей.
- Наконец, применяется алюминий при изготовлении современных морских судов. Только здесь используют специальный «морской алюминий», содержащий до 6% магния, что придает материалу особую коррозийную стойкость.
Источник: