為何用不銹鋼造太空飛船,馬斯克:好用又便宜

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圖:SpaceX「星際飛船」的測試原型

網易科技訊 1月24日消息,據大眾機械雜誌報導,埃隆·馬斯克(Elon Musk)不久前曾發推文,宣稱星際飛船(Starship)將由不銹鋼材料製造,而不使用碳纖維。據我們所知,這標誌著自20世紀50年代後期Atlas項目的失敗嘗試以來,不銹鋼材料首次被用於太空器製造方面。

實際上,早在聖誕節前幾天,馬斯克就曾透露,將對星際飛船進行更多的調整。當時馬斯克宣稱,最先進的碳纖維構成了星際飛船的火箭(以前稱為BFR,或大獵鷹火箭)主體,其超重型火箭助推器(Super Heavy)將被300系列不銹鋼所取代。1月10日時,馬斯克在Twitter上發布了星際飛船測試版本的照片,稱這是一架可以用於亞軌道垂直起降測試飛行的原型,飛行高度接近5000米。他把這些測試稱為「跳躍測試」。

自揭開星際飛船的神秘面紗以來,馬斯克通過Twitter簡短地回答了許多好奇太空觀察者提出的直接問題。但在宣布這一消息兩周前,馬斯克在加州霍桑的SpaceX總部接受了《大眾機械》主編瑞安·達戈斯蒂諾(Ryan D’agostino)的獨家採訪,非常詳細地討論了這些改變背後的想法。

採訪摘要如下:

達戈斯蒂諾:你一直在忙著重新設計星際飛船?

馬斯克:是的。星際飛船和超重型火箭助推器的製造,我換成了特殊的不銹鋼合金。我想了一會兒,這有點違反直覺。我花了相當多的精力說服團隊朝這個方向前進。但是現在,我相信他們已經被說服了。我們始終在追求一種先進的碳纖維結構,但進展非常緩慢,每千克成本為135美元。然後大概有35%的廢料,比如剪掉的部分有些再也無法使用。此外,這種碳纖維是用高強度樹脂浸漬的,非常麻煩。

達戈斯蒂諾:相比之下,不銹鋼如何?

馬斯克:不銹鋼最大的優點是足夠便宜,而且生產速度很快,盡管它顯然不是最輕的材料。但實際上,這已經是我們能找到的最輕適用材料。在不是特別低的溫度下,高質量不銹鋼的性能和強度提高了50%。大多數鋼在低溫下會變得很脆,比如典型的碳鋼,當你向上噴灑液氮並用錘子擊打時,它會像玻璃那樣粉碎。

大多數鋼材都是這樣,但鉻鎳含量較高的不銹鋼卻不會這樣。實際上它們的強度反而有所增加,延展性仍然很高。所以即使在零下165攝氏度條件下,延展性依然良好,非常堅韌,且沒有斷裂的問題。斷裂韌性是一種性質,如果某個物體有個小裂縫,材料是傾向於阻止裂縫還是擴大裂縫?當你經歷多次振動應力循環時,材料中的一個小缺陷會放大多少?

達戈斯蒂諾:所以有些材料可以阻止自己的裂縫擴大。

馬斯克:對,比如說陶瓷(就像咖啡杯),它不善於阻止裂縫擴大。一旦出現裂縫,它就像玻璃那樣炸裂。然後根據你所擁有的金屬類型不同(有些金屬具有更好的斷裂韌性),斷裂韌性會隨著溫度的變化而變化。從技術上講,韌性是應力-應變曲線下的區域。當你對某物施加壓力時,該物體會有多大程度變形?這是個非常重要的特性。

不銹鋼是Atlas項目早期使用的材料。早期的Atlas就是個鋼制氣球罐,其缺陷在與這種材料太薄,在自身重量的作用下會坍塌。這是個鋼鐵氣球,它幾乎站不起來,反而會像有彈性的城堡一樣倒塌,甚至不能承受非常小的有效載荷。早期的Atlas在發射台上崩潰並造成災難的案例有很多。

這里有個技巧我認為很重要,那就是你把它當作需要再次進入大氣層的飛行器來看待。看,這是鋼鐵的另一個好處:它的熔點很高,比鋁高得多。雖然碳纖維也不會融化,但樹脂在特定溫度下會遭到破壞。典型的鋁或碳纖維,在穩定的工作條件下,其能承受的溫度在149攝氏度左右。你可以利用它們做些短途太空旅行,偶爾可承受176攝氏度的溫度。但是到達204攝氏度時,可能就超越極限了。有些碳纖維可以承受204攝氏度的高溫,但是強度會降低。而鋼鐵可以承受的溫度高達815-871攝氏度之間。

達戈斯蒂諾:你們有完整的冶金團隊嗎?

馬斯克:我們有個非常棒的材料團隊,但一開始我們只使用高質量的301系列不銹鋼。還有一件重要的事會帶來很大的不同。在上升過程中,你需要材料在低溫下保持強度。進入大氣層時,你需要它能夠承受住高溫的考驗。因此,擋熱板的質量是由擋熱瓦與空氣之間的界面溫度所決定的。無論它是機械的,還是黏合的,無論界面點是什麼,都取決於擋熱板的厚度。

舉例來說,在「龍飛船」(Dragon)身上,擋熱板的厚度實際上是由擋熱板的熱浸潤作用決定的,熱浸潤作用會使擋熱瓦黏結在殼體上。所以隔熱瓦不會在下落的過程中失去。基本上,你也不會想把瓦片扔掉。

使用了不銹鋼合金,現在你可以輕鬆承受800多攝氏度的高溫,所以你的界面溫度上升了5倍。這意味著,對於鋼結構來說,背殼的背風面不需要任何擋熱板。而在迎風的一面,我想做的是安置可再生擋熱板。雙層不銹鋼外殼(類似於不銹鋼三明治),本質上只有兩層,你只需要用特殊物質黏結它們。

在不銹鋼三明治之間流動燃料或水,然後在外面有微小的孔,這實際上就是通過外面的微孔釋放水或燃料。除非你靠近,否則你看不到這些微孔,但是你可以用蒸騰冷卻的方法來冷卻火箭的迎風面。所以整個東西看起來還是全鉻的,就像我們面前的這個雞尾酒調酒器。但是有一面是雙層的,它有雙重用途,那就是加固飛行器的結構,這樣它就不會重蹈Atlas的命運。你有個雙重功能的隔熱結構。據我所知,這是以前從未有人提出過的。

達戈斯蒂諾:這是個巨大的變化。

馬斯克:是的。

達戈斯蒂諾:鋼鐵將從哪里來?

馬斯克:只是普通的301系列不銹鋼。讓我這麼說吧:304系列不銹鋼是他們做罐子的材料,很容易得到。

達戈斯蒂諾:這對你的原計劃有什麼影響?

馬斯克:這有助於加速原計劃的實施。

達戈斯蒂諾:因為它更容易採用?

馬斯克:是的,不銹鋼很容易加工。哦,我忘了說:碳纖維的價格是每公斤135美元,35%的廢料,所以成本實際上接近每公斤200美元。而不銹鋼每公斤的售價僅3美元。

達戈斯蒂諾:這是個好主意!

馬斯克:的確如此! (小小)

原標題:Elon Musk Interview: Why the Starship Is Built of Stainless Steel

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