L'applicazione del titanio nel settore aerospaziale sfrutta principalmente le sue proprietà quali bassa densità, elevata resistenza, resistenza alle alte-temperature e resistenza alla corrosione. Il suo utilizzo nel settore aerospaziale mira a ridurre il peso di lancio, aumentare la portata e risparmiare sui costi, rendendolo un materiale molto ricercato-sul campo. Il titanio può essere impiegato in razzi, missili e applicazioni aerospaziali come recipienti a pressione, serbatoi di carburante, involucri di motori a razzo, rivestimenti di ugelli di razzi, gusci di satelliti, cabine di veicoli spaziali con equipaggio (pelle e scheletri strutturali), carrello di atterraggio, moduli lunari e sistemi di propulsione.
Il materiale ampiamente utilizzato per l'involucro del motore a razzo del primo-stadio statunitense è la lega Ti-6Al-4V. Questa lega viene utilizzata anche nei grandi serbatoi cilindrici di razzi liquidi, nonché negli involucri dei motori sferici ed ellittici per i missili balistici intercontinentali e il missile "Minuteman".
D'altra parte, a causa del basso contenuto di elementi interstiziali, in particolare ossigeno, nelle leghe Ti-6Al-4V ELI e Ti-5Al-2.5Sn ELI, queste leghe possono essere utilizzate a temperature ultra-basse. Di conseguenza, vengono utilizzati per contenitori di idrogeno liquido in razzi e missili, compartimenti sigillati delle navicelle "Mercury" e "Gemini", nonché i componenti strutturali primari della navicella spaziale "Apollo" che atterrò con successo sulla luna.
Oltre al titanio puro industriale, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V ELI e Ti-5Al-2.5Sn ELI, l'industria aerospaziale impiega anche Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-15-3Cr-3Sn-3Al e Materiali compositi Ti/B-Al.
Lo Space Shuttle, il primo veicolo spaziale con equipaggio riutilizzabile al mondo, è stato sviluppato a partire dal 1972 e ha compiuto il suo primo volo di successo nel 1981. Il veicolo spaziale è costituito da un piccolo-aereo alato, un serbatoio di carburante esterno lungo 47-metri-e due razzi a combustibile solido per un totale di 500 tonnellate.
La navicella spaziale orbitale misura 37 metri di lunghezza e pesa circa 68 tonnellate, dimensioni più o meno equivalenti a quelle dell'aereo da trasporto a reazione DC-9. È il più grande veicolo spaziale con equipaggio mai realizzato fino ad oggi, con una stiva di 18 metri di lunghezza e 5 metri di diametro, in grado di trasportare 29,5 tonnellate di carico nell'orbita terrestre. Come un razzo può essere lanciato e, come una navicella spaziale, volare in orbite fino a un'altitudine massima di 1.000 chilometri. In assenza di resistenza atmosferica, può planare e atterrare come un aereo. Essenzialmente una nave da trasporto spaziale, uno dei parametri chiave per valutare la sua utilità è l'effettiva capacità di carico utile per il trasporto di merci tra la Terra e l'orbita terrestre. Per massimizzare questo carico utile effettivo, le leghe di titanio sono diventate un materiale fondamentale per i componenti dei veicoli aerospaziali. Il veicolo spaziale orbitale è progettato per una durata di servizio di 100 voli, con ciascuna missione che dura dai 7 ai 30 giorni nello spazio. Poiché è abitato, è progettato per resistere alle dure condizioni dello spazio (vuoto, variazioni estreme di temperatura in orbita e riscaldamento durante il rientro atmosferico) ed essere riutilizzabile.
1. Contenitore ad alta-pressione
Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate perché possono ridurre il peso totale dei veicoli spaziali in orbita. L'applicazione principale del titanio è nei contenitori ad alta-pressione per lo stoccaggio dei combustibili e dei gas necessari. Contenitori leggeri in lega di titanio sono stati sviluppati con successo per i programmi spaziali Gemini e Apollo della NASA, utilizzando la lega Ti-6Al-4V. I recipienti a pressione in titanio sulla navicella Apollo utilizzavano in pratica un fattore di sicurezza senza precedenti di 1,5, mentre i progetti precedenti utilizzavano un fattore di sicurezza di circa 4. Per ridurre ulteriormente il peso dei contenitori di stoccaggio ad alta pressione per i veicoli spaziali orbitali, è stato adottato un metodo che prevede l'applicazione di fibre Twaron (una fibra organica aromatica prodotta da DuPont) sulle superfici dei contenitori in titanio a pareti sottili. Questi contenitori vengono utilizzati per lo stoccaggio di gas compressi. Il satellite "Ranger" e il suo booster hanno utilizzato un totale di 14 contenitori in titanio, con una conseguente riduzione della massa di 27 kg.
Recipienti a pressione per lo stoccaggio di propellenti liquidi. Sulla navicella spaziale Apollo sono stati utilizzati circa 50 recipienti a pressione, di cui l'85% in titanio. Il motore dello stadio superiore J-2S, dopo il passaggio ai serbatoi del propellente in lega di titanio, ha visto una riduzione del peso del 35%.
2. Carter motore
L'involucro di un motore a razzo-a combustibile solido. Il motore a razzo di secondo-stadio del missile intercontinentale Minuteman utilizza la lega Ti64, riducendo il peso dal 30% al 40%.
L'involucro del motore ignifugo-a combustibile liquido. Il guscio-del cuscinetto di pressione della camera di combustione del motore di discesa del modulo lunare Apollo è realizzato in lega Ti64.
3. Vari componenti strutturali
Le leghe di titanio sono anche ampiamente utilizzate in vari componenti strutturali. La cabina a pressione della navicella spaziale "Mercury" era realizzata principalmente in titanio, che rappresentava l'80% del peso della cabina. La navicella spaziale "Gemini" ha utilizzato sette gradi di leghe di titanio, con 570 kg di componenti in titanio, che rappresentano l'84% del peso strutturale. Nella navicella spaziale "Apollo", staffe, dispositivi e dispositivi di fissaggio erano tutti realizzati in titanio, per un totale di 68 tonnellate di materiale di titanio.
4. Tubazioni idrauliche
Le tubazioni del carburante dello Space Shuttle sono realizzate con tubi senza saldatura in lega Ti-3Al-2.5V. L'adozione di questa lega riduce il peso di oltre il 40%. Per ridurre al minimo la suscettibilità alle fratture da fatica e aumentare la durata operativa del sistema, l'assemblaggio dei vari tubi utilizza l'idroformatura automatica.
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