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为何特斯拉的马斯克选用不锈钢造太空飞船?

2019-1-25 10:02:00

1月24日,据大众机械杂志报道,埃隆·马斯克(Elon Musk)不久前曾发推文,宣称星际飞船(Starship)将由不锈钢材料制造,而不使用碳纤维。据我们所知,这标志着自20世纪50年代后期Atlas项目的失败尝试以来,不锈钢材料首次被用于航天器制造方面。   

实际上,早在圣诞节前几天,马斯克就曾透露,将对星际飞船进行更多的调整。当时马斯克宣称,最先进的碳纤维构成了星际飞船的火箭(以前称为BFR,或大猎鹰火箭)主体,其超重型火箭助推器(Super Heavy)将被300系列不锈钢所取代。1月10日时,马斯克在Twitter上发布了星际飞船测试版本的照片,称这是一架可以用于亚轨道垂直起降测试飞行的原型,飞行高度接近5000米。他把这些测试成为“跳跃测试”。

  

自揭开星际飞船的神秘面纱以来,马斯克通过Twitter简短地回答了许多好奇太空观察者提出的直接问题。但在宣布这一消息两周前,马斯克在加州霍桑的SpaceX总部接受了《大众机械》主编瑞安·达戈斯蒂诺(Ryan D'agostino)的独家采访,非常详细地讨论了这些改变背后的想法。   

马斯克表示星际飞船和超重型火箭助推器的制造,换成了特殊的不锈钢合金。当人们在追求一种先进的碳纤维结构,但进展非常缓慢,每千克成本为135美元。大概有35%的废料,剪掉的部分有些再也无法使用。此外,这种碳纤维是用高强度树脂浸渍的,非常麻烦。   

相比之下,不锈钢最大的优点是足够便宜,而且生产速度很快,尽管它显然不是最轻的材料。但实际上,这已经是我们能找到的最轻适用材料。在不是特别低的温度下,高质量不锈钢的性能和强度提高了50%。大多数钢在低温下会变得很脆,比如典型的碳钢,当你向上喷洒液氮并用锤子击打时,它会像玻璃那样粉碎。   

大多数钢材都是这样,但铬镍含量较高的不锈钢却不会这样。实际上它们的强度反而有所增加,延展性仍然很高。所以即使在零下165摄氏度条件下,延展性依然良好,非常坚韧,且没有断裂的问题。断裂韧性是一种性质,如果某个物体有个小裂缝,材料是倾向于阻止裂缝还是扩大裂缝?当你经历多次振动应力循环时,材料中的一个小缺陷会放大多少?   

不锈钢是Atlas项目早期使用的材料。早期的Atlas就是个钢制气球罐,其缺陷在与这种材料太薄,在自身重量的作用下会坍塌。这是个钢铁气球,它几乎站不起来,反而会像有弹性的城堡一样倒塌,甚至不能承受非常小的有效载荷。早期的Atlas在发射台上崩溃并造成灾难的案例有很多。   

钢铁的另一个好处:它的熔点很高,比铝高得多。虽然碳纤维也不会融化,但树脂在特定温度下会遭到破坏。典型的铝或碳纤维,在稳定的工作条件下,其能承受的温度在149摄氏度左右。你可以利用它们做些短途太空旅行,偶尔可承受176摄氏度的温度。但是到达204摄氏度时,可能就超越极限了。有些碳纤维可以承受204摄氏度的高温,但是强度会降低。而钢铁可以承受的温度高达815-871摄氏度之间。   

马斯克还提到,他们拥有非常棒的材料团队,不过一开始也只使用高质量的301系列不锈钢。在上升过程中,需要材料在低温下保持强度。进入大气层时,需要它能够承受住高温的考验。因此,挡热板的质量是由挡热瓦与空气之间的界面温度所决定的。无论它是机械的,还是粘合的,无论界面点是什么,都取决于挡热板的厚度。   

举例来说,在“龙飞船”(Dragon)身上,挡热板的厚度实际上是由挡热板的热浸润作用决定的,热浸润作用会使挡热瓦粘结在壳体上。所以隔热瓦不会在下落的过程中失去。基本上,你也不会想把瓦片扔掉。   

使用了不锈钢合金,可以轻松承受800多摄氏度的高温,界面温度上升了5倍。这意味着,对于钢结构来说,背壳的背风面不需要任何挡热板。而在迎风的一面,所要做的是安置可再生挡热板。双层不锈钢外壳(类似于不锈钢三明治),本质上只有两层,你只需要用特殊物质粘结它们。   

在不锈钢三明治之间流动燃料或水,然后在外面有微小的孔,这实际上就是通过外面的微孔释放水或燃料。除非你靠近,否则你看不到这些微孔,但是你可以用蒸腾冷却的方法来冷却火箭的迎风面。所以整个东西看起来还是全铬的,就像我们面前的这个鸡尾酒调酒器。但是有一面是双层的,它有双重用途,那就是加固飞行器的结构,这样它就不会重蹈Atlas的命运。你有个双重功能的隔热结构。据我所知,这是以前从未有人提出过的。   

这是个巨大的变化。

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