運載火箭——鋼、合金為何仍是主流材料？
據報道，2023年4月9日19時46分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭發射印度尼西亞PALAPA-N1衛星，火箭一、二級飛行正常，三級工作異常，根據測量數據監視判斷，火箭三級及衛星殘骸已墜落，衛星發射失利。故障排查及有關處理工作已全面展開。長三乙的失敗，標志著中國火箭30天內兩次發射失敗，3月16日，中國海南文昌衛星發射中心首次試飛實驗中，長征七號甲火箭也未能將衛星送入預定軌道。PALAPA-N1衛星是印度尼西亞向中國采購的第1顆商業通信衛星，將在軌接替PALAPA-D衛星，主要為印度尼西亞及中東地區提供廣播通信、企業服務、個人移動通信等業務服務。衛星起飛重量5550公斤，在軌服務壽命15年。
針對這次發射失敗，有網友就表示非常意外，接連的任務失敗必然暴露了一些問題，如今中國的航天技術已日臻成熟，但發射失敗卻接連襲來，令人很難接受。人類許多最偉大的技術進步，都可以追溯到對特殊特性的追求，而這些特殊特性，需要通過金屬或合金所制造的零件來實現。除了材料本身，制造技術也是日新月異。從大約公元前6千年銅材的錘打，到如今鈦金屬的3D打印。人類對太空的探索無疑是20世紀最偉大的成就之一。運載火箭將科學或商業有效載荷運送到環繞地球的穩定軌道的要求是非常復雜的，并且通常與一般的工程應用有很大的差異。例如，火箭的結構材料在上升過程中，需承受空氣動力壓力階段的最大力，液體燃料系統的低溫，燃燒段和排氣段的高溫，以及使用氫作為燃料時帶來的氫脆問題等。除此以外，所有組件都需要把輕量化做到極致。對于運載火箭來說，大質量的部件是不可接受的，其根源可以了解一下火箭科學的基礎——火箭方程。1903年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)將動量守恒應用于火箭，提出了他的火箭方程。從該方程可以看出，火箭結構的質量起著至關重要的作用。
整個燃料從初始燃燒狀態到最終狀態，導致火箭速度Δv發生變化。初始質量和最終質量之間的差異與排氣速度，共同決定了火箭可以達到的速度。火箭只是一個運輸工具，其唯一目的是運送有效載荷。這一目標的實現，依賴于火箭排出推進劑后所能達到的最大速度。到達近地軌道所需的Δv約為8km/s。獲得這種Δv所需的推進劑質量，約占火箭整體質量的83~ 94%（具體取決于推進劑的類型）。火箭質量的其余部分（m f）由火箭結構材料和有效載荷組成。因此，當燃料質量確定時，火箭的結構質量越低，有效載荷的質量就越高。許多金屬具有高密度。但由于零件不能無限地薄，而高密度的材料通常會導致大質量的零件。你可能會想，為何不采用那些可用的低密度金屬呢，比如鋁、鎂和鋰?這些金屬已經少量用于火箭的空間結構中，但是它們有一些共同的缺點。即較低的熔點和較高的化學活潑性，這使得它們不適合制造與低溫燃料或高溫廢氣接觸的零件。雖然復合材料和陶瓷具有很高的強度和化學穩定性，但它們通常太脆而無法承受動態機械載荷。因此，盡管鎳、鉻、鈷和鐵等一些金屬的密度相對較高，但它們依然是制造火箭的主流材料。最近， Elon Musk在接受采訪時強調了這些金屬的實用性，他宣布將采用不銹鋼，而不是先進的碳纖維結構材料，來制造星際飛船（Starship）和超重型火箭助推器。在新的設計中，不銹鋼301被用作多功能的集成結構材料和隔熱板。從超低溫到1100k的超寬工作溫度范圍內，不銹鋼301的性能優于鋁合金和碳纖維制造的結構，在以上三種材料中，用不銹鋼301制造的結構質量也是最輕的。
火箭結構的最大質量位置，通常集中在推進劑艙，這些推進劑艙還承受火箭本身的結構性載荷。因此，推進劑艙必須能在低溫條件下承受適度的壓力，同時還要承受火箭升空過程中急劇變化的機械載荷。最常見的設計是采用一個強化鋁合金制外殼，即使不從內部加壓，也足以支撐自身重量。過往的歷史表明，2000系列鋁合金已用于結構性儲罐。該系列是鋁銅合金，銅的重量百分比為0.9-6.3％。在2000系鋁合金中，金屬間化合物CuAl2會產生強化效應，同時添加硅，鋰和微量的錳、鎂和鈦，可改善可鍛性并抑制應力腐蝕。鋁合金的另一個優點是，低溫能提高其抗拉強度，這對于火箭應用特別有吸引力。為將燃料從燃料箱輸送到火箭發動機，并連接到其他輔助加壓系統，需使用供應管線和管道。用于制造這些管道組件的金屬需要有較高的延展性，以承受無法避免的彎曲變形。與此同時，如何在低溫下保持材料的強度和延展性，并與所傳輸的燃料流的化學相容性也至關重要。任何避免發生氫脆，對于管道來說特別重要。耐腐蝕的321不銹鋼是火箭管路系統的主要用材。321不銹鋼富含鉻和鎳，并含0.3-0.7%的鈦，起到合金穩定化的作用。其他合適的材料還包括鎳基超級合金Inconel 718和不銹鋼A-218，它們都已用于制造航天飛機主發動機（SSME）。下表列出了用于制造SSME的主要材料。
毫無疑問，發動機無疑是火箭最精密的部件。火箭燃燒室中的溫度梯度大得不可思議：溫度為20K的液態氫被用來冷卻燃燒室內壁，而該內壁需面對的廢氣溫度超過2000K，需要強調的是，整個燃燒室的內壁厚度還不到1mm。液體火箭發動機的工作原理其實并不復雜。火箭的推力大約等于推進劑質量流量乘以推進劑的排空速度。這兩個參數在火箭發動機中被優化到極致。為了獲得高的推進劑質量流量，每個推進劑都配置有專用的渦輪泵。有一種鈦基合金被證明是用于渦輪泵葉片和外殼的理想材料。通過推進劑的燃燒為渦輪泵提供動力，推進劑燃燒后產生的廢氣被輸送到主燃燒室，在主燃燒室與高壓推進劑的主推進劑流混合后并被點燃，使推進劑迅速膨脹并通過發動機噴嘴的開口端向外排出。
火箭的推進劑通常采用液氫和液氧。實現推進劑的高流速，專門配置了兩個渦輪泵。同時，噴嘴和主燃燒室由液氫冷卻，而推進劑的預熱也有助于提高系統的整體效率。火箭噴嘴本身有一個非常聰明的設計，也源自基本的物理方程。它由一個可達到音速排氣的會聚部分組成。在這里，被加熱氣體的膨脹特性會發生變化，形成一個有利的分流段(增加噴嘴截面面積)，氣體可被加速到超音速并從噴嘴出口排出。該技術可實現的典型排氣速度約為4000 m/s。噴嘴內表面的熱負荷可以達到22 MW /m2，這個負荷與聚變反應堆內部的熱負荷基本相當，或相當于太陽表面輻射熱通量的三分之一。液體火箭發動機的核心是主燃燒室。在工作過程中，主燃燒室的工作環境非常惡劣，以至于任何在燃燒室內工作的材料均可能會率先失效，并導致發動機故障和發射任務的失敗。主燃燒室內推進劑被點燃時，冷卻通道和內壁之間的壓力差約為20MPa，約為大氣壓的200倍。
目前，使用新型的銅合金NARloy-Z(Cu-3wt%Ag-0.5wt%Zr)作為內襯，使用液氫主動冷卻技術對其冷卻，來承受推進劑燃燒時產生的巨大熱通量。NARloy-Z的強化機制是“固溶強化+析出強化”。NARloy-Z合金的固溶強化來源于Ag，而析出強化來源于Cu4Zr或Cu5Zr金屬間化合物。需要指出的是，在火箭發動機的工作環境下，NARloy-Z合金直接和巨量的熱態氧氣接觸。一旦由于排出氣流中的某些湍流使局部壁溫超過866K時，NARloy-Z合金中的銀會開始發生偏聚，從而降低材料強度；同時，這樣的溫度也能使氧大量擴散到材料中，以至于Zr（鋯）被完全氧化，導致金屬間化合物開始分解。在這種人為施加的高溫高壓下，NARloy-Z合金的兩種強化機制都會崩潰，材料內部會形成裂縫，材料內部的裂紋會形成熱障，致使熱量不能有效地傳導給冷卻劑，使溫度進一步升高。一旦進入這一惡性循環，部件故障就迫在眉睫了，冷卻劑(也是火箭的液氫推進劑!)將開始泄漏到燃燒室，點火將不再受控。雖然這不是直接致命的，但無疑會降低整個發動機的效率，以至于無法達到必要的發射速度Δv，最終導致火箭發射失敗。盡管SSME技術是在上世紀70年代和80年代開發的，但其技術在可預見的未來仍具有重要意義。迄今為止報告的SSME的可靠性為99.95%，是世界上最可靠和最成功的液體火箭發動機。基于以上事實，以及火箭發動機巨大且可調的推力，美國宇航局已經決定將航天飛機項目的剩余發動機用于新的太空發射系統，新系統的首次發射已定于在2023年。鋼、有色金屬和超級合金使現代太空探索成為可能，并且依然是運載火箭的主流材料，主要是基于安全的考慮。開發新型材料，尤其是復合材料，還有巨大的想象空間和潛力，新材料的技術進步，也將促進新一代運載火箭和航天器的發展，使它們比以往任何時候都更加強大，更加靈活。再回到4月9日的火箭發射失敗事件，其實我們也不必過分擔憂，這世上沒有“零失敗”的航天工程，人類的航空航天史，本質上就是從一個個失敗的教訓中走過的歷史。失敗不可怕，可怕的是：不能認真檢視失敗的真實原因，不能找出解決問題的有效措施。
1.https://new.qq.com/omn/20200411/20200411A06MTK00.html2.https://matmatch.com/blog/metals-in-space-how-superalloys-changed-the-rocket-landscape/3.J. Singh et al., “Mechanical Properties and Microstructural Stability of Wrought, Laser, and Electron Beam Glazed NARloy-Z Alloy at Elevated Temperatures”, Journal of Materials Science, Vol. 32, pp. 3891 – 3903, 1997.4.J. H.Sanders et al., “Microstructural investigation of the effects of oxygen exposure on NARloy-Z”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 203, Issues 1 – 2, pp. 246 – 255, 1995.5.Bildiriler Kitab?,”High Strength Copper Alloys for Extreme Temperature Conditions”, UCTEA Chamber of Metallurgical & Materials Engineers, Proceedings Book, IMMC 2016，pp.693-696
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