不銹鋼比碳纖維更輕更結(jié)實？馬斯克：千真萬確
SpaceX目前在用不銹鋼材料制作巨型火箭。據(jù)我們所知，這是自20世紀50年代末阿特拉斯計劃中一些命運多舛的嘗試以來，不銹鋼材料首次用于航天器的制造。
我們之所以了解到他的舉動，是因為數(shù)周以來一直有傳聞設(shè)計會有小幅優(yōu)化，但在圣誕節(jié)前幾天，馬斯克透露此次并非小幅優(yōu)化。構(gòu)成“星艦火箭”（此前稱為BFR，或Big Falcon Rocket或Big F-other-word Rocket）的箭體及其“超重型”（Super Heavy）助推器的最先進的碳纖維材料將被300系列不銹鋼所取代。
1月10日，馬斯克在推特上發(fā)布了一張“星艦”測試版的照片——基本上是一架原型機，可用于亞軌道垂直起降（垂直起飛和著陸）的測試飛行，飛行高度約為16,400英尺，他稱之為“啤酒花”。
自準揭幕以來，馬斯克通過Twitter簡短直接地回答了好奇的網(wǎng)友們提出的一些問題。但在公布前兩周，他在位于加州霍索恩的SpaceX總部接受了《大眾機械》主編瑞安·達戈斯蒂諾的獨家采訪。他非常詳細地講述了這一變化背后自己的想法。除此以外，他也談及了更多的話題——我們很快就會給你呈現(xiàn)更多的內(nèi)容。就目前而言，以下是他對這一重大變化的采訪實錄。
瑞安·達戈斯蒂諾: 你一直在忙著重新設(shè)計星艦。
埃隆·馬斯克：是的。 星艦和“超重型”火箭助推器的設(shè)計改為用特殊的不銹鋼合金。我對此考慮了很久。這種做法有點違反常理，我費了很大勁才說服團隊朝著這個方向努力。但現(xiàn)在我相信他們對此深信不疑，是的，他們被說服了。我們曾經(jīng)尋找一種先進的碳纖維結(jié)構(gòu)，但進展非常緩慢。碳纖維成本為每公斤135美元，并且有大約35％的報廢率——比如你切割纖維，其中一些就無法使用。它浸漬了高強度樹脂，處理起來非常棘手，而且有60到120層。
瑞安·達戈斯蒂諾：相比之下，不銹鋼如何呢？
埃隆·馬斯克：對于不銹鋼來說，違反常理的一點是，雖然很明顯它便宜、進度也快很多，但印象中它不是最輕的。可是事實上它卻是最輕的。如果你看一下高質(zhì)量不銹鋼的特性，不易發(fā)現(xiàn)的一點是，在低溫下其強度會提高50％。
大多數(shù)鋼在低溫條件下會變得非常脆。你肯定也見過在碳鋼上噴液氮的戲法——噴些液氮，然后用錘子打碳鋼，它會像玻璃一樣破碎。大多數(shù)鋼都是如此，但對于鉻鎳含量高的不銹鋼卻并非如此。鉻鎳會增加了不銹鋼的強度，并提高其延展性。所以，即使在零下330華氏度，這種不銹鋼會有12％到18％的延展性，非常有韌性，非常堅固，沒有碎裂問題。
斷裂韌性指的是這樣一種性質(zhì)：如果某些東西有一個小裂縫，材料是會阻止裂縫，還是會導致裂縫擴散？因此，當經(jīng)歷重復振動的多個應(yīng)力循環(huán)時，材料中的小缺陷會擴散多少？
瑞安·達戈斯蒂諾：所以有些材料可以阻止自己裂縫。
埃隆·馬斯克：是的，比如陶瓷——像咖啡杯之類——很難阻止裂縫。一旦裂縫開始，就會像玻璃一樣直至最后完全碎裂。然而根據(jù)金屬類型的不同，某些金屬具有比其他金屬更好的斷裂韌性，而斷裂韌性可隨溫度而變化。從技術(shù)上來看，韌性是指應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的區(qū)域。因此，當你對某個物體施加壓力時，這個物體會有多大的應(yīng)變，或者說物體會有多大的變形？這是一個重要的效益。
不銹鋼是早期阿特拉斯計劃中使用的材料。早期的阿特拉斯是一個鋼制球罐。阿特拉斯計劃的缺陷在于這種材料太薄，以至于它會在自身重量作用下坍塌。這是一個無法經(jīng)久耐用的鋼制氣球，它會像一個充氣城堡一樣坍塌，甚至無法攜帶一個很小的有效載荷。早期的阿特拉斯有多個案例是真的在發(fā)射墊上坍塌造成的災(zāi)難。
不過，當你把它看做是可循環(huán)利用的飛行器時，我認為有一個很重要的技巧。看，這是鋼的另一個優(yōu)點：它具有高熔點，比鋁高得多。雖然碳纖維不會熔化，但樹脂在一定溫度下會被破壞。所以通常鋁或碳纖維的材料需要一個穩(wěn)定的工作溫度，大約被限制在300華氏度（約150攝氏度）左右。這個溫度并不高，在這個溫度以內(nèi)只能進行一些短途旅行，或許可以超過一下限度，到350華氏度，再努力一下到400華氏度（約204攝氏度）。但是400華氏度的話，就真的到達極限了。材料會變?nèi)酰行┨祭w維雖然可以承受400華氏度，但是強度方面就會縮水。但鋼鐵可以達到1500～1600華氏度（816～871攝氏度）。
瑞安·達戈斯蒂諾：你們有一個完整的冶金團隊嗎？
埃隆·馬斯克：我們確實有一個很棒的材料組，但最初我們會簡單地使用高品質(zhì)的301不銹鋼。還有一件重要的事情會帶來很大的不同。在上升過程中，你需要一些在低溫下強度很高的東西；再入時，需要能夠承受高溫的東西。因此，隔熱罩的質(zhì)量由隔熱瓦和空氣框架之間界面處的溫度決定。無論是機械的還是粘合在一起，不管接合點是什么，這決定了隔熱罩的厚度。
例如，在龍飛船上，隔熱瓦片的厚度實際上是由隔熱罩傳到殼體的粘合線上的熱量決定的，而不是由隔熱瓦的侵蝕程度決定的。它實際上是由隔熱瓦到粘合線之間的導電性所決定的，所以在使用降落傘下降時，我們不會丟失隔熱瓦。基本上沒有人想丟掉隔熱瓦。
如果使用鋼材，就可以在1500 華氏度（816攝氏度）而不是300 華氏度（150攝氏度）的接口溫度下自如地使用，因此在接口點的溫度承受能力提高了5倍，這意味著，對于鋼結(jié)構(gòu)來說，后殼的背風側(cè)不需要任何隔熱設(shè)備。
在迎風面，我想做的是有史以來第一個再生隔熱罩。像不銹鋼三明治一樣的雙層不銹鋼外殼，基本上有兩層。實際上，你只需要兩個與桁條連接的層。你可以在夾層之間放置水，然后在外層有微小的穿孔，非常微小的穿孔，除非靠近，否則根本看不到它們。這些微小的孔可以排水，等于是在使用蒸騰冷卻來冷卻火箭的迎風面。所以整件事看起來仍然是全鉻質(zhì)感的，就像擺在我們面前的這個雞尾酒調(diào)酒器。但其中一方將是雙層的并且具有雙重目的，即加強機體的結(jié)構(gòu)，使其不重蹈阿特拉斯命運的覆轍。你有一個隔熱罩，它作為一個結(jié)構(gòu)提供雙重保障，就是這樣。
瑞安·達戈斯蒂諾：據(jù)我所知，這種做法之前從未被建議過。這是一個巨大的變化。
埃隆·馬斯克：是的。
瑞安·達戈斯蒂諾：鋼材來自哪里？
埃隆·馬斯克：它就是301不銹鋼。這么說吧，304不銹鋼是人們制作罐子的材料，儲量很多。
瑞安·達戈斯蒂諾：這對你的進度有什么影響？
埃隆·馬斯克：它會加快進度。
瑞安·達戈斯蒂諾：因為它更容易使用嗎？
埃隆·馬斯克：是的。鋼材非常容易使用。哦，我忘了提到，碳纖維每公斤135美元，報廢率35％，所以差不多要每公斤200美元。但鋼材每公斤只需3美元。
瑞安·達戈斯蒂諾：這是一個好主意。
埃隆·馬斯克：是的。
來源 | popular mechanics
翻譯 | 文娜
編輯 | 朝暉
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