不銹鋼比碳纖維更輕更結(jié)實(shí)？馬斯克：千真萬(wàn)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(jì)50年代末阿特拉斯計(jì)劃中一些命運(yùn)多舛的嘗試以來(lái)，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(dòng)，是因?yàn)閿?shù)周以來(lái)一直有傳聞設(shè)計(jì)會(huì)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(jìn)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(cè)試版的照片——基本上是一架原型機(jī)，可用于亞軌道垂直起降（垂直起飛和著陸）的測(cè)試飛行，飛行高度約為16,400英尺，他稱之為“啤酒花”。
自準(zhǔn)揭幕以來(lái)，馬斯克通過(guò)Twitter簡(jiǎn)短直接地回答了好奇的網(wǎng)友們提出的一些問(wèn)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(jī)械》主編瑞安·達(dá)戈斯蒂諾的獨(dú)家采訪。他非常詳細(xì)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(huì)給你呈現(xiàn)更多的內(nèi)容。就目前而言，以下是他對(duì)這一重大變化的采訪實(shí)錄。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾: 你一直在忙著重新設(shè)計(jì)星艦。
埃隆·馬斯克：是的。 星艦和“超重型”火箭助推器的設(shè)計(jì)改為用特殊的不銹鋼合金。我對(duì)此考慮了很久。這種做法有點(diǎn)違反常理，我費(fèi)了很大勁才說(shuō)服團(tuán)隊(duì)朝著這個(gè)方向努力。但現(xiàn)在我相信他們對(duì)此深信不疑，是的，他們被說(shuō)服了。我們?cè)?jīng)尋找一種先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)，但進(jìn)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(bào)廢率——比如你切割纖維，其中一些就無(wú)法使用。它浸漬了高強(qiáng)度樹(shù)脂，處理起來(lái)非常棘手，而且有60到120層。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾：相比之下，不銹鋼如何呢？
埃隆·馬斯克：對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)，違反常理的一點(diǎn)是，雖然很明顯它便宜、進(jìn)度也快很多，但印象中它不是最輕的。可是事實(shí)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(diǎn)是，在低溫下其強(qiáng)度會(huì)提高50％。
大多數(shù)鋼在低溫條件下會(huì)變得非常脆。你肯定也見(jiàn)過(guò)在碳鋼上噴液氮的戲法——噴些液氮，然后用錘子打碳鋼，它會(huì)像玻璃一樣破碎。大多數(shù)鋼都是如此，但對(duì)于鉻鎳含量高的不銹鋼卻并非如此。鉻鎳會(huì)增加了不銹鋼的強(qiáng)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(huì)有12％到18％的延展性，非常有韌性，非常堅(jiān)固，沒(méi)有碎裂問(wèn)題。
斷裂韌性指的是這樣一種性質(zhì)：如果某些東西有一個(gè)小裂縫，材料是會(huì)阻止裂縫，還是會(huì)導(dǎo)致裂縫擴(kuò)散？因此，當(dāng)經(jīng)歷重復(fù)振動(dòng)的多個(gè)應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料中的小缺陷會(huì)擴(kuò)散多少？
瑞安·達(dá)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(kāi)始，就會(huì)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(lái)看，韌性是指應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的區(qū)域。因此，當(dāng)你對(duì)某個(gè)物體施加壓力時(shí)，這個(gè)物體會(huì)有多大的應(yīng)變，或者說(shuō)物體會(huì)有多大的變形？這是一個(gè)重要的效益。
不銹鋼是早期阿特拉斯計(jì)劃中使用的材料。早期的阿特拉斯是一個(gè)鋼制球罐。阿特拉斯計(jì)劃的缺陷在于這種材料太薄，以至于它會(huì)在自身重量作用下坍塌。這是一個(gè)無(wú)法經(jīng)久耐用的鋼制氣球，它會(huì)像一個(gè)充氣城堡一樣坍塌，甚至無(wú)法攜帶一個(gè)很小的有效載荷。早期的阿特拉斯有多個(gè)案例是真的在發(fā)射墊上坍塌造成的災(zāi)難。
不過(guò)，當(dāng)你把它看做是可循環(huán)利用的飛行器時(shí)，我認(rèn)為有一個(gè)很重要的技巧。看，這是鋼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它具有高熔點(diǎn)，比鋁高得多。雖然碳纖維不會(huì)熔化，但樹(shù)脂在一定溫度下會(huì)被破壞。所以通常鋁或碳纖維的材料需要一個(gè)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(gè)溫度并不高，在這個(gè)溫度以內(nèi)只能進(jìn)行一些短途旅行，或許可以超過(guò)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(dá)極限了。材料會(huì)變?nèi)酰行┨祭w維雖然可以承受400華氏度，但是強(qiáng)度方面就會(huì)縮水。但鋼鐵可以達(dá)到1500～1600華氏度（816～871攝氏度）。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾：你們有一個(gè)完整的冶金團(tuán)隊(duì)嗎？
埃隆·馬斯克：我們確實(shí)有一個(gè)很棒的材料組，但最初我們會(huì)簡(jiǎn)單地使用高品質(zhì)的301不銹鋼。還有一件重要的事情會(huì)帶來(lái)很大的不同。在上升過(guò)程中，你需要一些在低溫下強(qiáng)度很高的東西；再入時(shí)，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(wú)論是機(jī)械的還是粘合在一起，不管接合點(diǎn)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(shí)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(shí)際上是由隔熱瓦到粘合線之間的導(dǎo)電性所決定的，所以在使用降落傘下降時(shí)，我們不會(huì)丟失隔熱瓦。基本上沒(méi)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(diǎn)的溫度承受能力提高了5倍，這意味著，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，后殼的背風(fēng)側(cè)不需要任何隔熱設(shè)備。
在迎風(fēng)面，我想做的是有史以來(lái)第一個(gè)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(shí)際上，你只需要兩個(gè)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(lái)冷卻火箭的迎風(fēng)面。所以整件事看起來(lái)仍然是全鉻質(zhì)感的，就像擺在我們面前的這個(gè)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(qiáng)機(jī)體的結(jié)構(gòu)，使其不重蹈阿特拉斯命運(yùn)的覆轍。你有一個(gè)隔熱罩，它作為一個(gè)結(jié)構(gòu)提供雙重保障，就是這樣。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾：據(jù)我所知，這種做法之前從未被建議過(guò)。這是一個(gè)巨大的變化。
埃隆·馬斯克：是的。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾：鋼材來(lái)自哪里？
埃隆·馬斯克：它就是301不銹鋼。這么說(shuō)吧，304不銹鋼是人們制作罐子的材料，儲(chǔ)量很多。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾：這對(duì)你的進(jìn)度有什么影響？
埃隆·馬斯克：它會(huì)加快進(jìn)度。
瑞安·達(dá)戈斯蒂諾：因?yàn)樗菀资褂脝幔?/span>
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(bào)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(dá)戈斯蒂諾：這是一個(gè)好主意。
埃隆·馬斯克：是的。
來(lái)源 | popular mechanics
翻譯 | 文娜
編輯 | 朝暉
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