为何用不锈钢造太空飞船，马斯克：好用！便宜！

楼主 / 本拿比经略

为何用不锈钢造太空飞船，马斯克：好用！便宜！

来源：倍可亲(backchina.com)

　　图：SpaceX“星际飞船”的测试原型

　 1月24日消息，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。

　　采访摘要如下：

　　达戈斯蒂诺：你一直在忙着重新设计星际飞船？

　　马斯克：是的。星际飞船和超重型火箭助推器的制造，我换成了特殊的不锈钢合金。我想了一会儿，这有点违反直觉。我花了相当多的精力说服团队朝这个方向前进。但是现在，我相信他们已经被说服了。我们始终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。然后大概有35%的废料，比如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。

　　达戈斯蒂诺：相比之下，不锈钢如何？

　　马斯克：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？

　　达戈斯蒂诺：所以有些材料可以阻止自己的裂缝扩大。

　　马斯克：对，比如说陶瓷（就像咖啡杯），它不善于阻止裂缝扩大。一旦出现裂缝，它就像玻璃那样炸裂。然后根据你所拥有的金属类型不同（有些金属具有更好的断裂韧性），断裂韧性会随着温度的变化而变化。从技术上讲，韧性是应力-应变曲线下的区域。当你对某物施加压力时，该物体会有多大程度变形？这是个非常重要的特性。

　　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。

　　这里有个技巧我认为很重要，那就是你把它当作需要再次进入大气层的飞行器来看待。看，这是钢铁的另一个好处：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。

　　达戈斯蒂诺：你们有完整的冶金团队吗？

　　马斯克：我们有个非常棒的材料团队，但一开始我们只使用高质量的301系列不锈钢。还有一件重要的事会带来很大的不同。在上升过程中，你需要材料在低温下保持强度。进入大气层时，你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，现在你可以轻松承受800多摄氏度的高温，所以你的界面温度上升了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，我想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。

　　达戈斯蒂诺：这是个巨大的变化。

　　马斯克：是的。

　　达戈斯蒂诺：钢铁将从哪里来？

　　马斯克：只是普通的301系列不锈钢。让我这么说吧：304系列不锈钢是他们做罐子的材料，很容易得到。

　　达戈斯蒂诺：这对你的原计划有什么影响？

　　马斯克：这有助于加速原计划的实施。

　　达戈斯蒂诺：因为它更容易采用？

　　马斯克：是的，不锈钢很容易加工。哦，我忘了说：碳纤维的价格是每公斤135美元，35%的废料，所以成本实际上接近每公斤200美元。而不锈钢每公斤的售价仅3美元。

　　达戈斯蒂诺：这是个好主意！

　　马斯克：的确如此！（小小）