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Mysteel:从航空航天材料的发展史,来看马斯克为什么用不锈钢造星船

北京时间 9 月 22 日 傍晚6点30分,SpaceX 对飞船原型机 SN7.1 最近的一次加压测试宣告中止。

在此之前,飞船经历了持续八个半小时的连续加压,依然矗立在 SpaceX 飞船工厂的架子上。这已经是 SpaceX 第四次尝试把原型机加压至爆炸。

与以往的星舰原型机测试不同,SN7.1此次进行的,更像是完整原型机的低温压力测试。所以它不会一飞冲天,而是一直加压到炸裂,以验证新材料的性能。

其实新材料就是304L不锈钢。在更早的时候,SpaceX 首席执行官马斯克就已经宣布,SpaceX公司的“星船”将改用不锈钢来制造,并非原计划使用的碳纤维材料。测试成功之后,后续的测试原型机以及最终的 Starship 飞船,都将改用 304L 不锈钢。因此,对于星际飞船材料性能的测试而言,未爆炸或许象征着更大的成功。

那么,为什么马斯克会选择采用不锈钢来替代碳纤维材料制作星船呢?或许,我们可以从航空航天材料的发展史,来一窥马斯克的用意。

第一阶段:1903年,美国莱特兄弟制造出人类历史上第一架飞机——“飞行者1号”。这是一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47%),钢(占35%)和布(占18%),飞机的飞行速度只有16公里/时。

第二阶段:1920-1949年,飞机机体结构逐渐发展为、钢等金属材料;此时飞机的承载能力已大大增加,飞行速度超过了600公里/时。

第三阶段:1950-1969年,从原先的铝、钢结构添加了钛合金金属材料,钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用,飞机的性能大幅度提高,飞行速度也得到了大大提高。

第四阶段:1970-21世纪初,此时航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料,如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等,以减轻结构重量。

第五阶段:21世纪初至今,机体材料已经发展为以复合材料为主,飞行器已经发展为机械加电子的高度一体化的产品。

可以说,材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用,目前航天器用结构材料主要有金属材料与复合材料两大类。马斯克曾经计划使用的“碳纤维材料”,则属于复合材料。

从两个图表对比可见,复合材料的比模量和比强度都远高于轻合金。单位密度的强度和弹性模量,称为复合材料的比强度和比模量。材料的强度除以密度称为比强度;材料的模量除以密度称为比模量,这两个参量都是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比模量较高说明材料质量轻,而强度和刚度大,这是结构设计,特别是航空航天结构设计对材料的重要要求。

在复合材料中,碳纤维复合材料质量轻,强度高,韧度高,具有明显的优势,被誉为“黑色黄金”。但是,其也存在一些固有的缺陷,譬如耐磨性差、价格较高、脆性大易断裂等问题。另外,碳纤维材料加工精度的稳定性也有待提高。

针对这些问题,或许也就不难理解为何马斯克会选择用不锈钢代替碳纤维材料。

在接受《大众机械》杂志采访时,马斯克在谈到不锈钢时表示,不锈钢有两大优势:首先是成本低,碳纤维实际成本接近每公斤200美元,而不锈钢则只有3美元。其次不锈钢熔点高、耐高温,耐受温度可达820~870摄氏度,而碳纤维的稳态工作温度很难达到200摄氏度,因为树脂在一定温度下会被破坏,所以通常铝或碳纤维的材料稳定的工作温度大约被限制在150摄氏度左右。

另一方面,当飞船在高速穿过大气层时,表层温度能够达到上千摄氏度;而火箭、飞船携带的燃料(其中有液氧),温度却可以低至 - 180摄氏度。极端的温度对航天器材料提出了极端的要求。高温问题尚可通过隔热层进行保护,但多数不锈钢在低温情况下会变脆,比如典型的碳钢,经过液氮冷却后,用锤子一敲打,会像玻璃一样变得粉碎。而不锈钢可以通过提升其中的镍、铬含量大幅提高材料的延展性,即使在零下 165摄氏度条件下,镍铬含量较高的不锈钢仍能表现得韧性十足,没有断裂的问题。

其实,美国在几十年前就曾在早期的 Atlas 项目上使用过不锈钢材料。但当时的缺陷在于,不锈钢材料太薄,导致支撑性严重不足,甚至在自重作用下就会发生坍塌。用马斯克的话说,当时的不锈钢就像一个钢铁气球,承受非常小的有效荷载仍然容易坍塌。而 SpaceX 的做法是,将飞船用的不锈钢做成双层结构,中间设计了特殊的微孔,再用特殊的材料像做三明治一样将不锈钢粘合起来。这样首先解决了材料的强度问题,双层不锈钢让舰体强度得以加强,解决了自重坍塌的问题。

不仅如此,不锈钢之间的微孔能够在飞船数倍于音速的速度下,慢慢释放水或燃料,这一过程在飞船飞行中能够通过蒸发冷却的原理,降低表面的温度。

这是一个创新设计。马斯克表示,虽然不锈钢不算是最轻的,但已经是最合适的材料选择,如果再考虑到碳纤维所需要的特殊粘合手段,以及粘合剂本身的重量,采用不锈钢成了一个更加经济且成熟的方案。

另一方面,从304 L不锈钢本身的性能来看,其作为航天材料也具有自身的显著优势。

在使用304L不锈钢之前,马斯克曾短暂地使用过一些高品质的301不锈钢,但最终仍然选择了304L不锈钢。

其实,从力学性能和化学成分角度来讲,301与304L几乎没有差别,但是作为304不锈钢中碳含量较低的变种,304L不锈钢焊接性能更好。较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减至最少,而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀(焊接侵蚀)。在未进行热处理的情况下,也能保持良好的耐蚀性,使用温度在零下196摄氏度到800摄氏度,可以应用于建材耐热零件及热处理有困难的零件。

综合来说,马斯克使用304L 不锈钢代替碳纤维材料,本质上是用低成本原料代替高成本原料,正如那句话所言:“材料学的真正意义也在于不论你做出来多新的多好的材料,更多的是你对已知的已有的成熟材料如何更高效利用使他们发挥更广泛作用。”航空航天材料从过去单纯追求高性能发展,到今天综合考虑性能与价格的平衡,对材料的合理选择与利用,或许也使得SpaceX 在航空之路上越走越远。

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