SpaceX已經(jīng)走了很長一段路。在2000年代初，美國宇航局缺少載人前往火星的具體計(jì)劃而感到震驚之后，著名企業(yè)家兼工程師埃隆·馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)立了SpaceX，以建立負(fù)擔(dān)得起的太空通道。

在花了幾年的時(shí)間設(shè)計(jì)，建造和測試了第一批私人研發(fā)的軌道火箭之后，獵鷹1號火箭第四次成功發(fā)射入軌，標(biāo)志著私人太空運(yùn)輸?shù)氖锕狻paceX憑借其成熟的功能，獲得了NASA的大量合同，向國際空間站提供了飛行任務(wù)，為快速開發(fā)新的運(yùn)載火箭提供了資金。

在眾多實(shí)例中，成功使用軌道級火箭助推器和建造全球目前最強(qiáng)大的火箭“獵鷹重型”（Falcon Heavy）是SpaceX的一些杰出創(chuàng)新。埃隆·馬斯克（Elon Musk）的目標(biāo)是通過一項(xiàng)看似大膽的決定來延續(xù)這一成功之路。

在太空飛船的早期階段被排除后，不銹鋼現(xiàn)在已被選作SpaceX的Starship及其助推器Super Heavy的結(jié)構(gòu)材料。

Starship和Super Heavy的結(jié)合旨在成為當(dāng)前Falcon 9和Falcon Heavy運(yùn)載火箭的繼任者，包括從許多繁榮的Falcon 9發(fā)射中獲得的廣泛經(jīng)驗(yàn)中吸取的所有教訓(xùn)。但是，“星艦”和“超級重型”的任務(wù)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了“獵鷹9”，并且已經(jīng)設(shè)計(jì)出了全新的設(shè)計(jì)以滿足星際載人飛行任務(wù)的額外要求。

強(qiáng)度與密度–永恒的折衷

與鋁合金和碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）（近幾十年來在航空航天工業(yè)中使用的常規(guī)結(jié)構(gòu)材料）相比，不銹鋼由于其高密度而成為一種普遍不利的選擇。在先前的文章中已經(jīng)概述了材料密度的重要性，或更確切地說，是用于運(yùn)載火箭的比強(qiáng)度的重要性。

本質(zhì)上，火箭結(jié)構(gòu)的低質(zhì)量對于最大化可將給定數(shù)量的燃料輸送到軌道的有效載荷的質(zhì)量至關(guān)重要。

如果將比強(qiáng)度作為唯一考慮的標(biāo)準(zhǔn)，則與CFRP和鋁合金相比，不銹鋼確實(shí)是次優(yōu)選擇。但是，由于極端的環(huán)境條件，例如上升和重返期間的溫度差異很大，其他物理量對于運(yùn)載火箭也起著重要作用。

在星艦和超重型戰(zhàn)斗機(jī)中使用的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料組合是過冷的液態(tài)甲烷和液態(tài)氧。燃料過冷，即冷卻到明顯低于其沸點(diǎn)的溫度，以增加其密度并在燃料開始沸騰并增加油箱壓力之前具有安全度。

為了避免油箱壓力達(dá)到可能導(dǎo)致油箱破裂的臨界水平，必須通過閥門將蒸發(fā)的燃油清除掉，并且不再可用于燃燒。

在油箱內(nèi)，燃料以大約三倍大氣壓的壓力存儲(chǔ)。較高的增壓將提供稍高的燃料密度，但反過來又需要相當(dāng)大的油箱結(jié)構(gòu)，這使得該選擇沒有吸引力。

對于配備有通過摩擦攪拌焊接法制造的鋁-鋰合金儲(chǔ)罐的Falcon 9，通過將儲(chǔ)罐填充到盡可能接近車輛發(fā)射的位置來解決沸騰問題。由于泡沫將增加大量的額外質(zhì)量，因此取消了用泡沫對儲(chǔ)罐進(jìn)行的隔熱。

僅幾毫米的油箱壁將大約66 K [2]的燃料與大約293 K的大氣溫度分開。用于先前油箱設(shè)計(jì)的鋁-鋰合金的熱導(dǎo)率大約是熱導(dǎo)率的四倍的SUS301不銹鋼。在這種情況下，低的熱導(dǎo)率有利于防止熱量從環(huán)境快速傳導(dǎo)至低溫燃料。

因此，不銹鋼消除了對額外絕緣的需求，并在火箭加油和實(shí)際發(fā)射之間提供了更寬的時(shí)間窗口。

使用溫度是決定因素

到目前為止，材料選擇的考慮重點(diǎn)是在車輛發(fā)射之前和發(fā)射過程中的條件。但是，與低溫燃料和巨大的機(jī)械應(yīng)力相比，完全可重復(fù)使用的航天器所面臨的條件更加惡劣。該飛船的設(shè)計(jì)目的是能夠進(jìn)行一次火星的行星際往返。這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的意義是深遠(yuǎn)的。

早期對火星的訪問表明，進(jìn)入火星大氣層的速度約為21,000 km / h [3]。為了最大程度地減少執(zhí)行任務(wù)所需的燃料，在進(jìn)行最終著陸燃燒之前，會(huì)使用大氣阻力來降低車輛的速度。但是，火星大氣層的密度僅為地球大氣層的一百分之一，相比之下，阻力很小。因此，需要航天器的非常大的攻角以將最大可能的表面積用于高超音速制動(dòng)操縱。

在進(jìn)入大氣的聲音的速度17次可導(dǎo)致高達(dá)2000的K的溫度下在車輛上的面對風(fēng)側(cè)。即使是最好的CFPR材料，在樹脂崩解之前，復(fù)合材料的強(qiáng)度也會(huì)迅速下降，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，因此最多只能承受480K。要使CFPR的溫度保持在其工作范圍內(nèi)，就需要使用大量的隔熱層。

這就是不銹鋼最大的優(yōu)勢所在。使用不銹鋼，可以將溫度范圍擴(kuò)大到1100K。這大大降低了隔熱的要求。此外，埃隆·馬斯克（Elon Musk）提出了將諸如儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和隔熱板之類的多個(gè)組件集成為一體的概念，使不銹鋼成為該特定應(yīng)用的理想材料。

從上圖可以看出，只有技術(shù)陶瓷和鎢合金才能提供比不銹鋼更高的工作溫度。盡管鎢合金太過致密，但工業(yè)陶瓷通常具有嚴(yán)重的脆性，由于容易破裂/破裂，將其用于重復(fù)的機(jī)械負(fù)載太危險(xiǎn)。這些陶瓷在破裂前僅產(chǎn)生很小的應(yīng)變。

不銹鋼，特別是在高溫下，可以通過塑性變形消除機(jī)械應(yīng)力，并且在斷裂之前可以承受許多應(yīng)力循環(huán)。

所有能量傳給隔熱罩

甚至埃隆·馬斯克（Elon Musk）提出的301不銹鋼也無法在大氣進(jìn)入過程中承受極端溫度。因此，正在考慮通過水或液態(tài)甲烷的滲入進(jìn)行主動(dòng)冷卻的概念，以將鋼的溫度保持在其運(yùn)行限制之內(nèi)。

詳細(xì)地，液體將被泵送至車輛上風(fēng)向側(cè)的兩塊鋼板之間，并通過小孔到達(dá)表面。從而，液體將獲得熱量并蒸發(fā)，從而導(dǎo)致顯著的冷卻效果以及熱量從車輛的散逸。蒸發(fā)的冷卻劑隨著來自大氣的熱氣流而流失。

在這種情況下，隔熱的概念優(yōu)于磨料隔熱，因?yàn)樵诘诙伟l(fā)射和進(jìn)入之前不需要維護(hù)或翻新。只需補(bǔ)充水/甲烷，這在火星上是可能的。

隔熱磚的設(shè)計(jì)采用六邊形排列，以避免熱氣體在進(jìn)入階段中通過間隙加速的直線路徑。在最近的一條推文中，馬斯克展示了成功測試高達(dá)1650 K（非常接近301不銹鋼的熔點(diǎn)）的六角形瓷磚的方法。但是，主動(dòng)冷卻技術(shù)未在測試中應(yīng)用，可以預(yù)見的是可以冷卻瓷磚的關(guān)鍵區(qū)域。

以下視頻“測試Starship隔熱六角磚”。

成本在空間工程中的意義

從歷史上看，航空工程的要求如此嚴(yán)格，以至于成本通常是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中最低優(yōu)先級之一。無論材料多么稀有，制造起來多么困難和昂貴，只要能夠完成工作，就很可能會(huì)選擇它。但是，隨著太空商業(yè)化的發(fā)展以及每年發(fā)射次數(shù)的急劇增加，這不再是事實(shí)。

早期設(shè)計(jì)中使用的CFRP的原材料成本約為每公斤135美元。此外，從原材料制造零件的機(jī)械加工會(huì)產(chǎn)生約35％的報(bào)廢率，最終零件的實(shí)際材料成本約為每公斤200美元。相比之下，不銹鋼的價(jià)格僅為每公斤3美元，可將成本降低近兩個(gè)數(shù)量級。

通常，將一公斤有效載荷發(fā)射到太空的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)材料的成本。盡管如此，對于CFRP而言，用不銹鋼可以實(shí)現(xiàn)的極端降低成本是決定的另一個(gè)重要因素。畢竟，SpaceX打算建造一支由星艦和超重型組合組成的艦隊(duì)，以服務(wù)多個(gè)市場，而不僅僅是追求火星的殖民化。

先進(jìn)的結(jié)構(gòu)：Isogrid和Octaweb

在將空間工程推向極限的過程中，SpaceX選擇了一些經(jīng)過驗(yàn)證的概念，并對其進(jìn)行了修改，使其更易于翻新或更便宜，同時(shí)保持了可比的功能。這種方法的一個(gè)例子是等距結(jié)構(gòu)[5]，它在許多運(yùn)載火箭和衛(wèi)星設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到。

獨(dú)特的等距圖案用于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度重量比。由此，增加了抗屈曲的能力。對于諸如阿特拉斯（Atlas）火箭這樣的早期火箭設(shè)計(jì)而言，屈曲是一個(gè)主要問題，由于其極薄的油箱壁，該火箭曾因自重而坍塌（下圖）。等距網(wǎng)格線是工字梁的交織圖案，可增加整體結(jié)構(gòu)的剛度并減少所需的材料量。

除了其誘人的特征外，等距結(jié)構(gòu)的制造極其昂貴。制造這種結(jié)構(gòu)的常用方法是從一塊厚金屬開始，然后用計(jì)算機(jī)數(shù)控將其加工下來。該技術(shù)導(dǎo)致浪費(fèi)率達(dá)到95％。由于這個(gè)原因，SpaceX沒有使用典型的等距結(jié)構(gòu)，但是在攪拌焊接的加強(qiáng)桁條上獲得了類似的效果。

SpaceX另一個(gè)令人印象深刻的設(shè)計(jì)是Octaweb。Octaweb是承受機(jī)械負(fù)荷的主要結(jié)構(gòu)，位于獵鷹9號火箭的底部。這種結(jié)構(gòu)載有九個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的陣列，并通過提供保護(hù)架來保護(hù)每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)免受其他發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。Octaweb由高強(qiáng)度鋁7000系列材料制成，并用螺栓固定，與以前的焊接設(shè)計(jì)相比，翻新起來更容易，更快捷。

繼“星艦”和“超重型”的設(shè)計(jì)和測試之后，它本身就是一次冒險(xiǎn)。本文介紹了一些設(shè)計(jì)功能的最新發(fā)展及其背后的原因。然而，歷史證明，SpaceX遵循不斷尋找替代解決方案的理念，并且如果能夠提供出色的性能/可靠性或降低成本，則可以毫不猶豫地考慮和實(shí)施重大的設(shè)計(jì)變更。

預(yù)定在2019年使用原型“漏斗”車對星際飛船設(shè)計(jì)進(jìn)行首次測試，不銹鋼將與它們一起閃亮地卷土重來.