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不锈钢比碳纤维更轻更结实?

不锈钢比碳纤维更轻更结实?马斯克:千真万确

马斯克在一月份的推特上说,以前被称为BFR的火箭将由不锈钢而不是碳纤维制造。在这次《大众机械》杂志的独家采访中,他将告诉我们为什么。

SpaceX目前在用不锈钢材料制作巨型火箭。据我们所知,这是自20世纪50年代末阿特拉斯计划中一些命运多舛的尝试以来,不锈钢材料首次用于航天器的制造。

我们之所以了解到他的举动,是因为数周以来一直有传闻设计会有小幅优化,但在圣诞节前几天,马斯克透露此次并非小幅优化。构成“星舰火箭”(此前称为BFR,或Big Falcon Rocket或Big F-other-word Rocket)的箭体及其“超重型”(Super Heavy)助推器的最先进的碳纤维材料将被300系列不锈钢所取代。

即将测试飞行的“星舰”火箭刚刚在SPACEX位于德克萨斯州的发射场完成组装。这是一张未渲染过的真实图片。——ELON MUSK(@ELONMUSK)2019年1月11日(来源 | TWITTER)


1月10日,马斯克在推特上发布了一张“星舰”测试版的照片——基本上是一架原型机,可用于亚轨道垂直起降(垂直起飞和着陆)的测试飞行,飞行高度约为16,400英尺,他称之为“啤酒花”。

自准揭幕以来,马斯克通过Twitter简短直接地回答了好奇的网友们提出的一些问题。但在公布前两周,他在位于加州霍索恩的SpaceX总部接受了《大众机械》主编瑞安·达戈斯蒂诺的独家采访。他非常详细地讲述了这一变化背后自己的想法。除此以外,他也谈及了更多的话题——我们很快就会给你呈现更多的内容。就目前而言,以下是他对这一重大变化的采访实录。


瑞安·达戈斯蒂诺: 你一直在忙着重新设计星舰。


埃隆·马斯克:是的。 星舰和“超重型”火箭助推器的设计改为用特殊的不锈钢合金。我对此考虑了很久。这种做法有点违反常理,我费了很大劲才说服团队朝着这个方向努力。但现在我相信他们对此深信不疑,是的,他们被说服了。我们曾经寻找一种先进的碳纤维结构,但进展非常缓慢。碳纤维成本为每公斤135美元,并且有大约35%的报废率——比如你切割纤维,其中一些就无法使用。它浸渍了高强度树脂,处理起来非常棘手,而且有60到120层。


  如果你看一下高质量不锈钢的特性,印象中它不是最轻的,可是事实上它却是最轻的


瑞安·达戈斯蒂诺:相比之下,不锈钢如何呢?


埃隆·马斯克:对于不锈钢来说,违反常理的一点是,虽然很明显它便宜、进度也快很多,但印象中它不是最轻的。可是事实上它却是最轻的。如果你看一下高质量不锈钢的特性,不易发现的一点是,在低温下其强度会提高50%。


大多数钢在低温条件下会变得非常脆。你肯定也见过在碳钢上喷液氮的戏法——喷些液氮,然后用锤子打碳钢,它会像玻璃一样破碎。大多数钢都是如此,但对于铬镍含量高的不锈钢却并非如此。铬镍会增加了不锈钢的强度,并提高其延展性。所以,即使在零下330华氏度,这种不锈钢会有12%到18%的延展性,非常有韧性,非常坚固,没有碎裂问题。


断裂韧性指的是这样一种性质:如果某些东西有一个小裂缝,材料是会阻止裂缝,还是会导致裂缝扩散?因此,当经历重复振动的多个应力循环时,材料中的小缺陷会扩散多少?


 所以,有些材料可以阻止自己裂缝。 


瑞安·达戈斯蒂诺:所以有些材料可以阻止自己裂缝。


埃隆·马斯克:是的,比如陶瓷——像咖啡杯之类——很难阻止裂缝。一旦裂缝开始,就会像玻璃一样直至最后完全碎裂。然而根据金属类型的不同,某些金属具有比其他金属更好的断裂韧性,而断裂韧性可随温度而变化。从技术上来看,韧性是指应力-应变曲线下的区域。因此,当你对某个物体施加压力时,这个物体会有多大的应变,或者说物体会有多大的变形?这是一个重要的效益。


不锈钢是早期阿特拉斯计划中使用的材料。早期的阿特拉斯是一个钢制球罐。阿特拉斯计划的缺陷在于这种材料太薄,以至于它会在自身重量作用下坍塌。这是一个无法经久耐用的钢制气球,它会像一个充气城堡一样坍塌,甚至无法携带一个很小的有效载荷。早期的阿特拉斯有多个案例是真的在发射垫上坍塌造成的灾难。


不过,当你把它看做是可循环利用的飞行器时,我认为有一个很重要的技巧。看,这是钢的另一个优点:它具有高熔点,比铝高得多。虽然碳纤维不会熔化,但树脂在一定温度下会被破坏。所以通常铝或碳纤维的材料需要一个稳定的工作温度,大约被限制在300华氏度(约150摄氏度)左右。这个温度并不高,在这个温度以内只能进行一些短途旅行,或许可以超过一下限度,到350华氏度,再努力一下到400华氏度(约204摄氏度)。但是400华氏度的话,就真的到达极限了。材料会变弱,有些碳纤维虽然可以承受400华氏度,但是强度方面就会缩水。但钢铁可以达到1500~1600华氏度(816~871摄氏度)。


 还有一件重要的事情会带来很大的不同


瑞安·达戈斯蒂诺:你们有一个完整的冶金团队吗?


埃隆·马斯克:我们确实有一个很棒的材料组,但最初我们会简单地使用高品质的301不锈钢。还有一件重要的事情会带来很大的不同。在上升过程中,你需要一些在低温下强度很高的东西;再入时,需要能够承受高温的东西。因此,隔热罩的质量由隔热瓦和空气框架之间界面处的温度决定。无论是机械的还是粘合在一起,不管接合点是什么,这决定了隔热罩的厚度。


例如,在龙飞船上,隔热瓦片的厚度实际上是由隔热罩传到壳体的粘合线上的热量决定的,而不是由隔热瓦的侵蚀程度决定的。它实际上是由隔热瓦到粘合线之间的导电性所决定的,所以在使用降落伞下降时,我们不会丢失隔热瓦。基本上没有人想丢掉隔热瓦。


如果使用钢材,就可以在1500 华氏度(816摄氏度)而不是300 华氏度(150摄氏度)的接口温度下自如地使用,因此在接口点的温度承受能力提高了5倍,这意味着,对于钢结构来说,后壳的背风侧不需要任何隔热设备。


在迎风面,我想做的是有史以来第一个再生隔热罩。像不锈钢三明治一样的双层不锈钢外壳,基本上有两层。实际上,你只需要两个与桁条连接的层。你可以在夹层之间放置水,然后在外层有微小的穿孔,非常微小的穿孔,除非靠近,否则根本看不到它们。这些微小的孔可以排水,等于是在使用蒸腾冷却来冷却火箭的迎风面。所以整件事看起来仍然是全铬质感的,就像摆在我们面前的这个鸡尾酒调酒器。但其中一方将是双层的并且具有双重目的,即加强机体的结构,使其不重蹈阿特拉斯命运的覆辙。你有一个隔热罩,它作为一个结构提供双重保障,就是这样。


 据我所知,这种做法之前从未被建议过。


瑞安·达戈斯蒂诺:据我所知,这种做法之前从未被建议过。这是一个巨大的变化。


埃隆·马斯克:是的。


瑞安·达戈斯蒂诺:钢材来自哪里?


埃隆·马斯克:它就是301不锈钢。这么说吧,304不锈钢是人们制作罐子的材料,储量很多。


瑞安·达戈斯蒂诺:这对你的进度有什么影响?


埃隆·马斯克:它会加快进度。


瑞安·达戈斯蒂诺:因为它更容易使用吗?


埃隆·马斯克:是的。钢材非常容易使用。哦,我忘了提到,碳纤维每公斤135美元,报废率35%,所以差不多要每公斤200美元。但钢材每公斤只需3美元。


瑞安·达戈斯蒂诺:这是一个好主意。


埃隆·马斯克:是的。

来源 | popular mechanics 

翻译 | 文娜

编辑 | 朝晖

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