Григорий Николаев - Металл Века

Нет, алюминий не тяжелее титана. Напротив — в полтора раза легче. Но почему же в таком случае титановые детали используют вместо алюминиевых для облегчения самолета? Когда обычную сталь заменяют "легкой сталью", это понятно, и никаких особенных разъяснений не требуется. Но алюминий ... Если уж облегчать конструкцию, то, казалось бы, алюминий следует заменять более легким металлом. Но все объясняется иной причиной — высокой удельной прочностью титановых сплавов.

Каждый узел, каждая деталь самолета должны с гарантией выдерживать определенную нагрузку, быть достаточно прочными для этого. Есть поговорка: "Где тонко, там и рвется", то есть, говоря иначе, заданная прочность обеспечивается определенной массой материала. Титан несколько тяжелее алюминия, но он и гораздо прочнее его, и для тех же деталей самолета титана требуется меньше, чем алюминия, стало быть, конструкция становится легче.

Благодаря использованию титана взамен алюминия массу самолета удается уменьшить на 20—25 процентов. А это чрезвычайно важно. Облегчить самолет — значит повысить его скорость, потолок и радиус действия, увеличить маневренность и грузоподъемность. Поэтому авиация заинтересована в использовании титана при изготовлении реактивных двигателей, кожухов камер сгорания, капотов, роторов турбин, деталей планера, колес — везде, где только возможно, вплоть до таких несложных изделий, как гайки и болты.

Подсчитано, что если при утяжелении конструкции масса самолета повышается всего на одну десятую, то чтобы сохранить неизменными все его прежние летные характеристики, необходимо настолько увеличить мощность двигателя, запас горючего, площадь крыла и т.п., что полетная масса самолета возрастает вдвое.

Каждый сэкономленный килограмм массы двигателя позволяет сберечь за счет облегчения фюзеляжа до десяти килограммов в общей массе самолета. Отсюда становится еще более понятным, как много значит каждый дополнительный килограмм массы, на который удается облегчить самолет благодаря применению титановых сплавов. В результате замены стали и алюминия титаном масса самолета снижается на сотни килограммов, а нередко и тонны. Крыло сверхзвукового военного самолета, целиком изготовленное из стали, имеет массу более двух тонн, титановое же крыло — чуть больше 1800 килограммов. В этом случае экономится 200—250 килограммов массы.

В самолетах применяется большое количество болтов, гаек, винтов, заклепок и других крепежных деталей, которые должны быть очень прочными и надежными. Казалось бы, что эти изделия незначительно утяжеляют конструкцию, так как масса каждого из них исчисляется граммами. Но если учесть, что число крепежных деталей в истребителе достигает 20 тысяч, а в транспортном реактивном самолете — почти 50 тысяч, то суммарная их масса составляет солидную цифру — около 100 килограммов в истребителе и 300 килограммов в транспортном самолете. Замена стали титаном уменьшает массу крепежных деталей на одну треть. Чем крупнее самолет, тем ощутимее замена. В гигантском военно-транспортном самолете США ”Локхид С-5А” благодаря использованию титановых заклепок взамен алюминиевых сэкономлено 3,5 тонны массы.

Большая, чем у алюминия, прочность титана позволила уменьшить диаметр заклепок, в результате чего конструкции самолета в состоянии нести более высокие динамические нагрузки, так как усталостная прочность титана выше, чем алюминия или стали.

Титановые сплавы применяют для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов, элементов жесткости, лонжеронов. Замена титаном алюминиевых сплавов несколько снижает жесткость конструкции, так как применяют листы более тонкие, чем прежде. Чтобы сохранить высокую жесткость, используют "сотовые” титановые панели. Благодаря высокой сопротивляемости окислению и достаточной жаропрочности титан используют вместо стали для изготовления противопожарных перегородок.

В последнее время титан успешно применяют в конструкциях вертолетов. Из титановых сплавов изготовляют двери, пол, лопасти несущих винтов. В частности, обшивка титаном лопастей винтов позволяет снизить массу вертолета на 30 килограммов.

Стремительный рост скоростей полета самолетов и значительное повышение в связи с этим аэродинамического нагрева вызвали резкое увеличение применения титановых сплавов для обшивки фюзеляжа.

При скорости, втрое превышающей скорость звука, на высоте более 20 километров, несмотря на пятидесятиградусный мороз за бортом, поверхность самолета на отдельных участках полета нагревается до 500 градусов и выше. Особенно сильно нагреваются передние кромки стабилизаторов и крыльев, носовые конусы, элероны. Летчик, пилотирующий самолет, видит, что отдельные части обшивки в результате трения о воздух накалены докрасна.

Алюминиевые и магниевые сплавы не выдерживают длительного нагрева при температурах 250°С и выше, размягчаются, теряют прочность. Это делает их непригодными для обшивки сверхзвуковых машин. Специальные жаропрочные сплавы титана не утрачивают своих свойств до 550—600 градусов, а при кратковременном нагреве — и до 800°С. При температуре около 300°С титановые сплавы прочнее алюминиевых в 10 раз! Поэтому титановые плиты и листы широко применяют для изготовления обшивки сверхзвуковых самолетов.

Самолеты нагреваются не только вследствие трения о воздух, но и от находящихся на борту реактивных двигателей — сильных источников тепла. Большое количество титана используют в турбореактивных двигателях 'В виде лопаток и дисков воздушных компрессоров, деталей газовых турбин, кожухов двигателей и т.д.

У реактивных двигателей самолетов, летающих со скоростями, вдвое превышающими скорость звука, температура воздуха на входе в компрессор составляет более 200°С, а на выходе — 500. При таких температурах алюминиевые сплавы применять уже нельзя. Можно, правда, использовать стали, но ведь они гораздо тяжелее титановых сплавов, поэтому применяют сплавы нового металла. Титановые сплавы составляют четвертую часть от массы современных зарубежных реактивных двигателей. Двигатель известного американского самолета-разведчика У-2, один из которых, пилотируемый американским разведчиком Пауэрсом, нарушил воздушные границы СССР и был в свое время сбит под Свердловском, содержал в своей конструкции около 1400 килограммов титана.

Применяемые в газовых турбинах титановые детали выдерживают нагрев при температуре 480°С и позволяют снизить массу турбины дозвукового двигателя на 200, а сверхзвукового — на 100 килограммов.

По мере того, как растут скорости полета и размеры самолетов, расширяется и применение титана в конструкциях летательных аппаратов. Если в дозвуковых самолетах количество титана составляет 1—3 процента от общей массы машин, то в самолетах, летающих со скоростью до 2400 километров в час, на титан приходится уже 3—10 процентов, а в самолетах, мчащихся с еще большими скоростями, количество титана в общей массе машины доходит до 90 процентов, то есть самолет практически полностью состоит из титана, за исключением, разумеется, тех деталей, которые вообще не делаются из металлов.