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為何特斯拉的馬斯克選用不銹鋼造太空飛船？
1月24日，據(jù)大眾機(jī)械雜志報(bào)道，埃隆·馬斯克(Elon Musk)不久前曾發(fā)推文，宣稱(chēng)星際飛船(Starship)將由不銹鋼材料制造，而不使用碳纖維。據(jù)我們所知，這標(biāo)志著自20世紀(jì)50年代后期Atlas項(xiàng)目的失敗嘗試以來(lái)，不銹鋼材料首次被用于航天器制造方面。
實(shí)際上，早在圣誕節(jié)前幾天，馬斯克就曾透露，將對(duì)星際飛船進(jìn)行更多的調(diào)整。當(dāng)時(shí)馬斯克宣稱(chēng)，最先進(jìn)的碳纖維構(gòu)成了星際飛船的火箭(以前稱(chēng)為BFR，或大獵鷹火箭)主體，其超重型火箭助推器(Super Heavy)將被300系列不銹鋼所取代。1月10日時(shí)，馬斯克在Twitter上發(fā)布了星際飛船測(cè)試版本的照片，稱(chēng)這是一架可以用于亞軌道垂直起降測(cè)試飛行的原型，飛行高度接近5000米。他把這些測(cè)試成為“跳躍測(cè)試”。
自揭開(kāi)星際飛船的神秘面紗以來(lái)，馬斯克通過(guò)Twitter簡(jiǎn)短地回答了許多好奇太空觀察者提出的直接問(wèn)題。但在宣布這一消息兩周前，馬斯克在加州霍桑的SpaceX總部接受了《大眾機(jī)械》主編瑞安·達(dá)戈斯蒂諾(Ryan D'agostino)的獨(dú)家采訪，非常詳細(xì)地討論了這些改變背后的想法。
馬斯克表示星際飛船和超重型火箭助推器的制造，換成了特殊的不銹鋼合金。當(dāng)人們?cè)谧非笠环N先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)，但進(jìn)展非常緩慢，每千克成本為135美元。大概有35%的廢料，剪掉的部分有些再也無(wú)法使用。此外，這種碳纖維是用高強(qiáng)度樹(shù)脂浸漬的，非常麻煩。
相比之下，不銹鋼最大的優(yōu)點(diǎn)是足夠便宜，而且生產(chǎn)速度很快，盡管它顯然不是最輕的材料。但實(shí)際上，這已經(jīng)是我們能找到的最輕適用材料。在不是特別低的溫度下，高質(zhì)量不銹鋼的性能和強(qiáng)度提高了50%。大多數(shù)鋼在低溫下會(huì)變得很脆，比如典型的碳鋼，當(dāng)你向上噴灑液氮并用錘子擊打時(shí)，它會(huì)像玻璃那樣粉碎。
大多數(shù)鋼材都是這樣，但鉻鎳含量較高的不銹鋼卻不會(huì)這樣。實(shí)際上它們的強(qiáng)度反而有所增加，延展性仍然很高。所以即使在零下165攝氏度條件下，延展性依然良好，非常堅(jiān)韌，且沒(méi)有斷裂的問(wèn)題。斷裂韌性是一種性質(zhì)，如果某個(gè)物體有個(gè)小裂縫，材料是傾向于阻止裂縫還是擴(kuò)大裂縫?當(dāng)你經(jīng)歷多次振動(dòng)應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料中的一個(gè)小缺陷會(huì)放大多少?
不銹鋼是Atlas項(xiàng)目早期使用的材料。早期的Atlas就是個(gè)鋼制氣球罐，其缺陷在與這種材料太薄，在自身重量的作用下會(huì)坍塌。這是個(gè)鋼鐵氣球，它幾乎站不起來(lái)，反而會(huì)像有彈性的城堡一樣倒塌，甚至不能承受非常小的有效載荷。早期的Atlas在發(fā)射臺(tái)上崩潰并造成災(zāi)難的案例有很多。
鋼鐵的另一個(gè)好處：它的熔點(diǎn)很高，比鋁高得多。雖然碳纖維也不會(huì)融化，但樹(shù)脂在特定溫度下會(huì)遭到破壞。典型的鋁或碳纖維，在穩(wěn)定的工作條件下，其能承受的溫度在149攝氏度左右。你可以利用它們做些短途太空旅行，偶爾可承受176攝氏度的溫度。但是到達(dá)204攝氏度時(shí)，可能就超越極限了。有些碳纖維可以承受204攝氏度的高溫，但是強(qiáng)度會(huì)降低。而鋼鐵可以承受的溫度高達(dá)815-871攝氏度之間。
馬斯克還提到，他們擁有非常棒的材料團(tuán)隊(duì)，不過(guò)一開(kāi)始也只使用高質(zhì)量的301系列不銹鋼。在上升過(guò)程中，需要材料在低溫下保持強(qiáng)度。進(jìn)入大氣層時(shí)，需要它能夠承受住高溫的考驗(yàn)。因此，擋熱板的質(zhì)量是由擋熱瓦與空氣之間的界面溫度所決定的。無(wú)論它是機(jī)械的，還是粘合的，無(wú)論界面點(diǎn)是什么，都取決于擋熱板的厚度。
舉例來(lái)說(shuō)，在“龍飛船”(Dragon)身上，擋熱板的厚度實(shí)際上是由擋熱板的熱浸潤(rùn)作用決定的，熱浸潤(rùn)作用會(huì)使擋熱瓦粘結(jié)在殼體上。所以隔熱瓦不會(huì)在下落的過(guò)程中失去。基本上，你也不會(huì)想把瓦片扔掉。
使用了不銹鋼合金，可以輕松承受800多攝氏度的高溫，界面溫度上升了5倍。這意味著，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，背殼的背風(fēng)面不需要任何擋熱板。而在迎風(fēng)的一面，所要做的是安置可再生擋熱板。雙層不銹鋼外殼(類(lèi)似于不銹鋼三明治)，本質(zhì)上只有兩層，你只需要用特殊物質(zhì)粘結(jié)它們。
在不銹鋼三明治之間流動(dòng)燃料或水，然后在外面有微小的孔，這實(shí)際上就是通過(guò)外面的微孔釋放水或燃料。除非你靠近，否則你看不到這些微孔，但是你可以用蒸騰冷卻的方法來(lái)冷卻火箭的迎風(fēng)面。所以整個(gè)東西看起來(lái)還是全鉻的，就像我們面前的這個(gè)雞尾酒調(diào)酒器。但是有一面是雙層的，它有雙重用途，那就是加固飛行器的結(jié)構(gòu)，這樣它就不會(huì)重蹈Atlas的命運(yùn)。你有個(gè)雙重功能的隔熱結(jié)構(gòu)。據(jù)我所知，這是以前從未有人提出過(guò)的。
這是個(gè)巨大的變化。
馬斯克接受達(dá)戈斯蒂諾采訪所提到的內(nèi)容