SpaceX——為何青睞不銹鋼材料？不銹鋼比碳纖維更輕更結實？
2023年4月18日，美國國家航空航天局(NASA)官網正式宣布，美東時間5月27日16:32（北京時間5月28日4:32），全新的獵鷹9號B5火箭（編號B1058.1）將在美國佛州肯尼迪航天中心39A發射位啟航，完成SpaceX DM-2 龍飛船的首次載人試飛任務。此次的載人飛船為全新載人版龍飛船（編號C206），搭載的兩名宇航員是NASA資深宇航員羅伯特·本肯和道格·赫爾利。龍飛船是一艘完全自動駕駛的宇宙飛船，可以實現全程自動化飛行控制，全自動對接空間站，全自動應急處理各項預案等，也可以切換到人工操控，同時同步受SpaceX總部飛行控制中心監控。自2011年航天飛機退役以來，美國運送宇航員往返空間站全部借助俄羅斯飛船。NASA這次將借助SpaceX，重新實現從美國本土運送宇航員飛向國際空間站。今年1月，SpaceX成功完成了載人龍飛船（Crew Dragon）的逃生系統測試，這也是SpaceX正式實現載人前的最后一個大的測試。本次發射意義重大，這是繼2011年美國航天飛機退役后，在美國本土的首次載人航天任務，即將開啟美國乃至全球商業載人航天新時代。從發射首艘測試版龍飛船到首次載人發射龍飛船，SpaceX十年磨一劍，開創私營太空公司載人航天新高度。
2000年代初，在得知NASA并沒有載人火星計劃后，埃隆·馬斯克(Elon Musk)大吃一驚，之后，埃隆·馬斯克創立了太空探索技術公司(SpaceX)，公司的目標是建立商業化太空發射。幾年之后，SpaceX完成了私人研制火箭的設計、建造和測試。獵鷹1號火箭在第四次發射時獲得成功，SpaceX也籍此從NASA獲得了一份大合同，為國際空間站(International Space Station)補充給養，這也為SpaceX快速開發新型運載火箭提供了重要的資金來源。迄今為止，SpaceX在太空飛行領域取得了諸多引人注目的眾多杰出成就，包括了軌道級火箭的成功再回收及再利用，建造目前世界上最強大的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭。尤其值得一提的是，埃隆·馬斯克(Elon Musk)做出的采用不銹鋼材料的大膽決策，也為延續這一成功勢頭埋下了伏筆。在SpaceX進行太空飛行探索的最初幾年，不銹鋼材料基本被排除在外，現在，它已被遴選為SpaceX的“星艦”（Starship）及其“超級重型”(Super Heavy)火箭的結構材料。SpaceX的“星艦”飛船和“超級重型”火箭是一種可重復使用的運載系統，它的目標是把宇航員和貨物運送到地球軌道、月球、火星及更遠的地方。“星艦”飛船系統將成為人類歷史上最強大的運載火箭系統，能將超過100噸的衛星系統送到地球軌道。“星艦”飛船的直徑為9m，高度50m，推進劑能力為1200噸，有效負載在100噸以上。“超級重型”火箭的直徑9m，高度68m，推進劑能力為3300噸，推力為72 MN。總起飛質量超過3000噸，使用過冷的液態甲烷和液態氧（CH4/LOX）作為推進劑。“超級重型”火箭通過其6只“大長腿”在回收點著陸。“星艦”飛船和“超級重型”火箭均采用猛禽（Raptor）引擎，這是一種全流量，分級燃燒的火箭發動機，推進劑為低溫甲烷和液氧，而不是SpaceX先前在Merlin發動機系列中使用的RP-1煤油和LOX。“超級重型”火箭由37個猛禽引擎提供動力，而“星艦”由6個猛禽引擎提供動力。“星艦”飛船和“超級重型”火箭的任務范圍遠超獵鷹9號，以滿足對星際載人飛行任務的特殊需求。“星艦”飛船和“超級重型”火箭將取代獵鷹9號（Falcon 9）和獵鷹重型（Falcon Heavy）運載火箭。
近幾十年來，航空航天工業中最常使用的結構材料是鋁合金和碳纖維增強聚合物（CFRP），不銹鋼因其密度較高而倍受冷落。在上周的文章中，我們已經了解到材料密度（或者說火箭結構材料的比強度）的重要性：火箭結構材料本身的質量越低，意味著在給定的燃料量下，送達到太空軌道的有效載荷量越多。如果只考慮比強度的話，與CFRP和鋁合金相比，不銹鋼確實不是最佳選擇。但是，考慮到太空飛行所面臨的極端環境條件，例如火箭在升太和重返大氣層期間，溫差極大，因此，材料的導熱率對于運載火箭有著重大影響。以燃料箱為例，獵鷹9號配備了鋁鋰合金燃料箱，采用攪拌摩擦焊工藝制造，基本可以滿足常規的發射任務。由于燃料箱的壁厚僅幾個毫米，要將大約66 K溫度的燃料與大約293 K的環境溫度隔開，必須使用泡沫保溫材料，而燃料箱的保溫泡沫材料勢必會增加相當大的額外質量。考慮到“星艦”飛船和“超級重型”火箭的特殊需求，常規火箭燃料箱的設計有它難以克服的短板。“星艦”和“超級重型”火箭在燃料箱的設計中，摒棄了獵鷹9號使用的鋁鋰合金材料，用不銹鋼材料進行替代。這是因為，鋁鋰合金材料的導熱系數，大約是301不銹鋼的4倍。顯然，低的導熱率有利于防止熱量從周圍環境快速傳導到低溫燃料，因此，不銹鋼材料的使用，大大減輕了對隔熱材料的需求，并擴大了火箭注入燃料和實際發射之間的時間窗口。迄今為止，航天材料的選擇，主要取決于火箭發射前和發射中的工作條件。除了要考慮傳統火箭所面臨的低溫燃料和巨大力學載荷，可回收使用的航天器所面臨的條件更加嚴苛。“星艦”飛船項目的設計目標是能夠完成1次火星地球之間的星際往返。早期的火星探測任務已經證實，飛行器進入火星大氣層的速度約為21000 km/ h（17倍音速）。為了最大程度地減少執行任務所需的燃料，在進行最終著陸的制動點火之前，飛行器會利用火星大氣阻力來降低飛行速度。但是，火星大氣層的密度僅為地球大氣層的1%，能提供的大氣阻力很小。因此，一個具有非常高攻角的航天器，需要盡可能利用大的表面積進行高超音速制動操縱。航天器高速進入火星大氣層時，航天器面風側的溫度可高達2000K。此時，即使是最好的CFPR材料，樹脂分解溫度也在480K以下。與此同時，隨著溫度升高，復合材料的強度會迅速下降，最終會導致結構性破壞。如果要使CFPR的溫度保持在其正常工作范圍內，必須使用大量的隔熱層，而這是讓設計師們難以接受的，也是促使SpaceX選擇不銹鋼材料的內在動力之一。使用不銹鋼材料，可以把工作溫度范圍擴展到約1100K。這就意味著對隔熱要求的大大降低。此外，埃隆·馬斯克（Elon Musk）提出了將燃料箱結構和隔熱板等多個組件集成為一體的想法，這也使不銹鋼材料成為此類特定應用的理想材料。
從上圖可以看出，只有工業陶瓷和鎢合金的工作溫度高于不銹鋼。而鎢合金密度太高，而工業陶瓷通常具有嚴重的脆性，容易開裂或破裂，這種材料用在循環機械負載的應用中會變得十分危險。因為只需要發生微小的應變。這些陶瓷材料就會發生斷裂。而不銹鋼材料具有無可比擬的先天優勢，特別是在高溫下，可以通過塑性變形來消除機械應力，并且在斷裂之前可以承受多次應力循環。即使是埃隆·馬斯克（Elon Musk）提出的不銹鋼材料，也無法承受再入地球大氣層時的極端溫度。因此，SpaceX正在考慮通過注水或注液態甲烷的主動冷卻方案，使不銹鋼材料保持在正常工作溫度之內。具體來說，冷卻液將被泵入飛行器迎風面的兩塊鋼板之間，通過小孔到達表面。這樣，液體蒸發可吸收大量熱量，從而取得一個顯著的航天器整體冷卻效果。蒸發的冷卻劑隨大氣層的氣流一起流失。這種主動散熱的概念優于被動隔熱方案，這樣，在第二次發射和再入大氣層前，只需要相應補充足夠的水和甲烷，不需要額外的維護或翻新了，而這在火星上也是可能實現的。從歷史上看，航空航天工程的要求非常苛刻，以至于成本通常是設計標準中最低優先級之一。無論材料多么稀有，制造起來多么困難，價格多么昂貴，只要能夠完成預定使命，就很可能會選擇它。但是，隨著太空商業化的發展以及每年發射次數的急劇增加，這一切注定將成為歷史。早期設計中使用的CFRP的原材料成本約為每公斤135美元。此外，從原材料制造成零件的機械加工會產生約35％的報廢率，因此最終零件的實際材料成本約為每公斤200美元。相比之下，不銹鋼的價格僅為每公斤3美元，因此，采用不銹鋼材料，可把成本降低近兩個數量級。盡管將1kg有效載荷發射到太空的成本遠遠超過運載火箭結構材料的成本，但如果用不銹鋼替代CFRP能大大降低成本，何樂而不為呢？畢竟，SpaceX打算建造一支由星艦和超級重型組合而成的艦隊，目標是服務于多個市場，而不僅僅是去開拓火星殖民地。在把航天工程推向極限的過程中，SpaceX選擇了一些驗證過的概念，并對其進行了修改，使其更易于翻新或更便宜，同時保持了類似的功能。例如，在運載火箭和衛星設計中非常普遍等網格（Isogrid）結構。
Arcam EBM-增材制造的Isogrid錐形截頭圓錐形發動機機殼等網格結構可提高材料的強度重量比，從而增加抗塌陷的能力。塌陷是早期火箭設計的一個主要問題，如阿特拉斯火箭（Atlas），由于其燃料箱壁極薄，它曾在自重作用下坍塌。等網格結構是一種工字梁式的相互交織模式，它的作用是增加整體結構的剛度，并減少所需的材料量。但是，等網格結構的制造成本極其昂貴。制造這種結構的常用方法是從一塊厚金屬開始，然后用計算機數控機床將其加工出來。這種加工技術導致的材料浪費率高達到95％。由于這個原因，SpaceX沒有使用典型的等網格結構，而是采用攪拌焊接工藝的加強桁條，獲得了類似的效果。
Octaweb結構為獵鷹9號火箭的9個Merlin引擎提供了基礎另一個令人印象深刻的設計是Octaweb結構。它是承受機械載荷的主要結構，位于獵鷹9號火箭的底部。這種結構載有9個引擎的陣列，通過提供一個保護空間來保護每個引擎不受其他引擎的影響。Octaweb是由高強度鋁7000系列材料制成的，并采用螺栓固定。與以前的焊接結構相比，這使得火箭的翻新變得容易且快速。2023年3月3日，吉利控股集團宣布，吉利全面布局商業衛星領域，預計年內發射兩顆低軌衛星。據悉，由浙江時空道宇科技有限公司自主設計完成的首發兩顆低軌衛星目前已通過各項鑒定試驗與測試，預計將于2023年內完成發射，而發射這兩顆衛星的火箭是外購的。4月17日晚，吉利汽車集團副總裁楊學良證實了“吉利科技集團下屬公司浙江時空道宇科技有限公司（下稱時空道宇）招聘火箭總工程師”的消息，同時還在其微博表示“招火箭總師，歡迎報名。” 根據公開的招聘信息，本次時空道宇計劃招納的賢才涵蓋火箭制造相關各個環節，包括火箭總師、制導設計工程師、動力工程師、火箭結構工程師、火箭總工藝師等在內共計四十余個崗位名額，同時薪酬待遇也比較高。據吉利集團官方消息，吉利于2021年戰略投資航天科技公司時空道宇，開始布局天地一體化出行生態。根據時空道宇的一則公開招聘介紹，該公司是吉利科技集團的一級新興戰略子公司，團隊核心技術成員均來自于國家航天體系內，擁有多年衛星研發經驗。公司主要負責全球通信及導航星座系統的組建與運維，支撐吉利與戴姆勒未來出行的通信需求，同時為各類行業用戶提供衛星通信和導航一體化的解決方案，布局成為以自有衛星為核心的天地一體化物聯應用解決方案服務商。
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