L'application du titane dans l'industrie aérospatiale exploite principalement ses propriétés telles que la faible densité, la haute résistance, la résistance aux températures élevées et à la corrosion. Son utilisation dans l'aérospatiale vise à réduire le poids du lancement, à augmenter la portée et à réduire les coûts, ce qui en fait un matériau très recherché-dans ce domaine. Le titane peut être utilisé dans les fusées, les missiles et les applications aérospatiales comme récipients sous pression, réservoirs de carburant, carters de moteurs de fusée, revêtements de tuyères de fusée, coques de satellite, cabines d'engins spatiaux habités (peau et squelettes structurels), trains d'atterrissage, modules lunaires et systèmes de propulsion.
Le matériau largement utilisé pour la coque du moteur-fusée américain du premier étage-est l'alliage Ti-6Al-4V. Cet alliage est également utilisé dans les grands réservoirs cylindriques de fusées à liquide, ainsi que dans les carters de moteurs sphériques et elliptiques des missiles balistiques intercontinentaux et du missile « Minuteman ».
D'autre part, en raison de la faible teneur en éléments interstitiels, notamment en oxygène, dans les alliages Ti-6Al-4V ELI et Ti-5Al-2.5Sn ELI, ces alliages peuvent être utilisés à des températures ultra-basses. Par conséquent, ils sont utilisés pour les conteneurs d'hydrogène liquide dans les fusées et les missiles, les compartiments scellés des vaisseaux spatiaux « Mercury » et « Gemini », ainsi que les principaux composants structurels du vaisseau spatial « Apollo » qui a atterri avec succès sur la lune.
En plus du titane pur industriel, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V ELI et Ti-5Al-2.5Sn ELI, l'industrie aérospatiale utilise également Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-15-3Cr-3Sn-3Al et Matériaux composites Ti/B-Al.
La navette spatiale, le premier vaisseau spatial habité réutilisable au monde, a été développée à partir de 1972 et a réalisé son premier vol réussi en 1981. Le vaisseau spatial se compose d'un petit-avion à ailes, d'un réservoir de carburant externe de 47-mètres-de long et de deux propulseurs de fusée à combustible solide totalisant 500 tonnes.
Le vaisseau spatial orbital mesure 37 mètres de long et pèse environ 68 tonnes, dimensions à peu près équivalentes à celles de l'avion de transport à réaction DC-9. Il s'agit du plus grand vaisseau spatial habité à ce jour, avec une soute de 18 mètres de long et 5 mètres de diamètre, capable de transporter 29,5 tonnes de fret en orbite terrestre. Comme une fusée, il peut être lancé et, comme un vaisseau spatial, voler sur des orbites jusqu'à une altitude maximale de 1 000 kilomètres. En l’absence de traînée atmosphérique, il peut planer et atterrir comme un avion. Essentiellement un vaisseau de transport spatial, l’un des paramètres clés pour évaluer son utilité est la capacité de charge utile effective pour le transport de marchandises entre la Terre et l’orbite terrestre. Pour maximiser cette charge utile efficace, les alliages de titane sont devenus un matériau essentiel pour les composants des véhicules aérospatiaux. Le vaisseau spatial orbital est conçu pour une durée de vie de 100 vols, chaque mission durant 7 à 30 jours dans l’espace. Puisqu’il est habité, il est conçu pour résister aux conditions difficiles de l’espace (vide, variations extrêmes de température en orbite et échauffement lors de la rentrée atmosphérique) et être réutilisable.
1. Récipient haute-pression
Les alliages de titane sont largement utilisés car ils peuvent réduire le poids total des véhicules spatiaux en orbite. La principale application du titane concerne les conteneurs à haute pression-pour le stockage des carburants et des gaz nécessaires. Des conteneurs légers en alliage de titane ont été développés avec succès pour les programmes de vaisseaux spatiaux Gemini et Apollo de la NASA, en utilisant l'alliage Ti-6Al-4V. Les récipients sous pression en titane du vaisseau spatial Apollo utilisaient dans la pratique un facteur de sécurité sans précédent de 1,5, alors que les conceptions précédentes utilisaient un facteur de sécurité d'environ 4. Pour réduire davantage le poids des conteneurs de stockage à haute pression pour les engins spatiaux orbitaux, une méthode a été adoptée impliquant l'application de fibres Twaron (une fibre organique aromatique produite par DuPont) sur les surfaces des conteneurs en titane à paroi mince. Ces conteneurs sont utilisés pour stocker des gaz comprimés. Le satellite « Ranger » et son propulseur ont utilisé un total de 14 conteneurs en titane, ce qui a permis une réduction de masse de 27 kg.
Récipients sous pression pour stocker des propulseurs liquides. Environ 50 récipients sous pression ont été utilisés sur le vaisseau spatial Apollo, dont 85 % sont en titane. Le moteur de l'étage supérieur J-2S, après être passé aux réservoirs de propulseur en alliage de titane, a vu son poids diminuer de 35 %.
2. Carter moteur
Le boîtier d'un moteur-fusée à combustible solide-. Le moteur de fusée du deuxième-étage du missile intercontinental Minuteman utilise un alliage Ti64, réduisant ainsi le poids de 30 à 40 %.
Le carter de moteur ignifuge à carburant liquide-. La coque de palier de pression de la chambre de combustion du moteur de descente du module lunaire Apollo est en alliage Ti64.
3. Divers composants structurels
Les alliages de titane sont également largement utilisés dans divers composants structurels. La cabine pressurisée du vaisseau spatial « Mercury » était principalement constituée de titane, représentant 80 % du poids de la cabine. Le vaisseau spatial « Gemini » utilisait sept qualités d'alliages de titane, avec 570 kg de composants en titane, représentant 84 % du poids structurel. Dans le vaisseau spatial « Apollo », les supports, les fixations et les fixations étaient tous en titane, totalisant 68 tonnes de titane.
4. Tuyauterie hydraulique
La tuyauterie de carburant de la navette spatiale est constituée de tubes sans soudure en alliage Ti-3Al-2,5V. L'adoption de cet alliage réduit le poids de plus de 40 %. Pour minimiser la susceptibilité aux ruptures de fatigue et améliorer la durée de vie opérationnelle du système, l'assemblage de divers tuyaux utilise l'hydroformage automatique.
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