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为何用不锈钢造太空飞船 马斯克:好用!便宜!

网易科技讯 1月24日消息,据大年夜众机器杂志报道,埃隆·马斯克(Elon Musk)不久前曾发推文,传播鼓吹星际飞船(Starship)将由不锈钢材料制造,而不应用碳纤维。据我们所知,这标志着自20世纪50年代后期Atlas项目的掉败考试测验以来,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,马斯克就曾走漏,将对星际飞船进行更多的调剂。当时马斯克传播鼓吹,最先辈的碳纤维构成了星际飞船的火箭(曩昔称为BFR,或大年夜猎鹰火箭)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上宣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,飞行高度靠近5000米。他把这些测试成为“跳跃测试”。

图:SpaceX“星际飞船”的测试原型

自揭开星际飞船的神秘面纱以来,马斯克经由过程Twitter简短地回答了许多好奇太空察看者提出的直接问题。但在发布这一消息两周前,马斯克在加州霍桑的SpaceX总部吸收了《大年夜众机器》主编瑞安·达戈斯蒂诺(Ryan D'agostino)的独家采访,异常具体地评论争论了这些改变背后的设法主见。

采访择要如下:

达戈斯蒂诺:你不停在忙侧从新设计星际飞船?

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。我想了一下子,这有点违反直觉。我花了相称多的精力说服团队朝这个偏向提高。然则现在,我信托他们已经被说服了。我们始终在追求一种先辈的碳纤维布局,但进展异常迟钝,每千克资源为135美元。然后大年夜概有35%的废物,比如剪掉落的部分有些再也无法应用。此外,这种碳纤维是用高强度树脂浸渍的,异常麻烦。

达戈斯蒂诺:比拟之下,不锈钢若何?

马斯克:不锈钢最大年夜的优点是足够便宜,而且临盆速率很快,只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。在不是分外低的温度下,高质量不锈钢的机能和强度前进了50%。大年夜多半钢在低温下会变得很脆,比如范例的碳钢,当你向上喷洒液氮并用锤子击打时,它会像玻璃那样破裂摧毁。

大年夜多半钢材都是这样,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添,延展性仍旧很高。以是纵然在零下165摄氏度前提下,延展性依然优越,异常坚韧,且没有断裂的问题。断裂韧性是一种性子,假如某个物体有个小缝隙,材料是倾向于阻拦缝隙照样扩大年夜缝隙?当你经历多次振动应力轮回时,材猜中的一个小缺陷会放大年夜若干?

达戈斯蒂诺:以是有些材料可以阻拦自己的缝隙扩大年夜。

马斯克:对,比如说陶瓷(就像咖啡杯),它不善于阻拦缝隙扩大年夜。一旦呈现缝隙,它就像玻璃那样炸裂。然后根据你所拥有的金属类型不合(有些金属具有更好的断裂韧性),断裂韧性会跟着温度的变更而变更。从技巧上讲,韧性是应力-应变曲线下的区域。当你对某物施加压力时,该物体会有多大年夜程度变形?这是个异常紧张的特点。

不锈钢是Atlas项目早期应用的材料。早期的Atlas便是个钢制气球罐,其缺陷在与这种材料太薄,在自身重量的感化下会坍塌。这是个钢铁气球,它险些站不起来,反而会像有弹性的城堡一样倾圯,以致不能遭遇异常小的有效载荷。早期的Atlas在发射台上崩溃并造成劫难的案例有很多。

这里有个技术我觉得很紧张,那便是你把它算作必要再次进入大年夜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。范例的铝或碳纤维,在稳定的事情前提下,其能遭遇的温度在149摄氏度阁下。你可以使用它们做些短途太空旅行,有时可遭遇176摄氏度的温度。然则到达204摄氏度时,可能就逾越极限了。有些碳纤维可以遭遇204摄氏度的高温,然则强度会低落。而钢铁可以遭遇的温度高达815-871摄氏度之间。

达戈斯蒂诺:你们有完备的冶金团队吗?

马斯克:我们有个异常棒的材料团队,但一开始我们只应用高质量的301系列不锈钢。还有一件紧张的事会带来很大年夜的不合。在上升历程中,你必要材料在低温下维持强度。进入大年夜气层时,你必要它能够遭遇住高温的磨练。是以,挡热板的质量是由挡热瓦与空气之间的界面温度所抉择的。无论它是机器的,照样粘合的,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感化抉择的,热浸润感化会使挡热瓦粘结在壳体上。以是隔热瓦不会鄙人落的历程中掉去。基础上,你也不会想把瓦片扔掉落。

应用了不锈钢合金,现在你可以轻松遭遇800多摄氏度的高温,以是你的界面温度上升了5倍。这意味着,对付钢布局来说,背壳的背风面不必要任何挡热板。而在迎风的一壁,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),本色上只有两层,你只必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,然后在外貌有微小的孔,这实际上便是经由过程外貌的微孔开释水或燃料。除非你接近,否则你看不到这些微孔,然则你可以用蒸腾冷却的措施来冷却火箭的迎风面。以是全部器械看起来照样全铬的,就像我们眼前的这个鸡尾酒调酒器。然则有一壁是双层的,它有双重用途,那便是加固飞行器的布局,这样它就不会重蹈Atlas的命运。你有个双重功能的隔热布局。据我所知,这是曩昔从未有人提出过的。

达戈斯蒂诺:这是个伟大年夜的变更。

马斯克:是的。

达戈斯蒂诺:钢铁将从哪里来?

马斯克:只是通俗的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,很轻易获得。

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:由于它更轻易采纳?

马斯克:是的,不锈钢很轻易加工。哦,我忘了说:碳纤维的价格是每公斤135美元,35%的废物,以是资源实际上靠近每公斤200美元。而不锈钢每公斤的售价仅3美元。

达戈斯蒂诺:这是个好主见!

马斯克:切实着实如斯! (小小)

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