A aplicação do titânio na indústria aeroespacial aproveita principalmente suas propriedades, como baixa densidade, alta resistência, resistência a altas-temperaturas e resistência à corrosão. Seu uso na indústria aeroespacial visa reduzir o peso de lançamento, aumentar o alcance e economizar custos, tornando-o um material-muito procurado em campo. O titânio pode ser empregado em foguetes, mísseis e aplicações aeroespaciais como vasos de pressão, tanques de combustível, carcaças de motores de foguetes, revestimentos de bicos de foguetes, conchas de satélites, cabines de espaçonaves tripuladas (pele e esqueletos estruturais), trem de pouso, módulos lunares e sistemas de propulsão.
O material amplamente utilizado para a carcaça do motor de foguete de primeiro-estágio dos EUA é a liga Ti-6Al-4V. Esta liga também é empregada em grandes tanques cilíndricos de foguetes líquidos, bem como em carcaças de motores esféricos e elípticos para mísseis balísticos intercontinentais e no míssil "Minuteman".
Por outro lado, devido ao baixo teor de elementos intersticiais, principalmente oxigênio, nas ligas Ti-6Al-4V ELI e Ti-5Al-2.5Sn ELI, essas ligas podem ser utilizadas em temperaturas ultrabaixas. Consequentemente, eles são utilizados para recipientes de hidrogênio líquido em foguetes e mísseis, compartimentos selados das espaçonaves "Mercury" e "Gemini", bem como os componentes estruturais primários da espaçonave "Apollo" que pousou com sucesso na Lua.
Além do titânio puro industrial, Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V ELI e Ti-5Al-2.5Sn ELI, a indústria aeroespacial também emprega Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-15-3Cr-3Sn-3Al e Materiais compósitos Ti/B-Al.
O ônibus espacial, a primeira espaçonave tripulada reutilizável do mundo, foi desenvolvido a partir de 1972 e realizou seu primeiro vôo bem-sucedido em 1981. A espaçonave consiste em uma pequena-aeronave com asas, um tanque de combustível externo de 47-metros{5}}de comprimento e dois propulsores de foguete de combustível sólido totalizando 500 toneladas.
A espaçonave orbital mede 37 metros de comprimento e pesa aproximadamente 68 toneladas, dimensões aproximadamente equivalentes às do avião de transporte a jato DC-9. É a maior espaçonave tripulada até o momento, com porão de carga de 18 metros de comprimento e 5 metros de diâmetro, capaz de entregar 29,5 toneladas de carga à órbita terrestre. Como um foguete, ele pode ser lançado e, como uma espaçonave, voar em órbitas de até uma altitude máxima de 1.000 quilômetros. Na ausência de arrasto atmosférico, ele pode planar e pousar como uma aeronave. Essencialmente uma nave de transporte espacial, uma das principais métricas para avaliar a sua utilidade é a capacidade efetiva de carga útil para o transporte de mercadorias entre a Terra e a órbita terrestre. Para maximizar esta carga útil eficaz, as ligas de titânio tornaram-se um material crítico para componentes de veículos aeroespaciais. A espaçonave orbital foi projetada para uma vida útil de 100 voos, com cada missão durando de 7 a 30 dias no espaço. Por ser tripulado, foi projetado para suportar as duras condições do espaço (vácuo, variações extremas de temperatura em órbita e aquecimento durante a reentrada atmosférica) e ser reutilizável.
1. Recipiente de alta-pressão
As ligas de titânio são amplamente utilizadas porque podem reduzir o peso total dos veículos em órbita de naves espaciais. A principal aplicação do titânio é em recipientes de alta-pressão para armazenar combustíveis e gases necessários. Recipientes leves de liga de titânio foram desenvolvidos com sucesso para os programas de espaçonaves Gemini e Apollo da NASA, utilizando liga Ti-6Al-4V. Os vasos de pressão de titânio na espaçonave Apollo empregaram um fator de segurança sem precedentes de 1,5 na prática, enquanto projetos anteriores usaram um fator de segurança de aproximadamente 4. Para reduzir ainda mais o peso dos recipientes de armazenamento de alta pressão para espaçonaves orbitais, foi adotado um método envolvendo a aplicação de fibras Twaron (uma fibra orgânica aromática produzida pela DuPont) nas superfícies de recipientes de titânio de paredes finas. Esses recipientes são usados para armazenar gases comprimidos. O satélite “Ranger” e seu booster utilizaram um total de 14 contêineres de titânio, resultando em uma redução de massa de 27 kg.
Vasos de pressão para armazenamento de propelentes líquidos. Aproximadamente 50 vasos de pressão foram usados na espaçonave Apollo, sendo 85% feitos de titânio. O motor de estágio superior J-2S, após mudar para tanques de propulsor de liga de titânio, teve uma redução de peso de 35%.
2. Carcaça do motor
A carcaça de um motor de foguete-combustível sólido. O motor de foguete de segundo-estágio do míssil intercontinental Minuteman emprega liga Ti64, reduzindo o peso em 30% a 40%.
A carcaça do motor à prova de fogo-com combustível líquido. O invólucro-de pressão da câmara de combustão do motor de descida do módulo lunar Apollo é feito de liga Ti64.
3. Vários componentes estruturais
As ligas de titânio também são amplamente utilizadas em vários componentes estruturais. A cabine de pressão da espaçonave “Mercúrio” era feita principalmente de titânio, representando 80% do peso da cabine. A espaçonave “Gemini” utilizou sete tipos de ligas de titânio, com 570 kg de componentes de titânio, representando 84% do peso estrutural. Na espaçonave “Apollo”, suportes, acessórios e fixadores eram todos feitos de titânio, totalizando 68 toneladas de material de titânio.
4. Tubulação hidráulica
A tubulação de combustível do ônibus espacial é feita de tubos sem costura usando liga Ti-3Al-2,5V. A adoção desta liga reduz o peso em mais de 40%. Para minimizar a suscetibilidade a fraturas por fadiga e aumentar a vida útil operacional do sistema, a montagem de vários tubos utiliza hidroformação automática.
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