運(yùn)載火箭——鋼、合金為何仍是主流材料？
據(jù)報(bào)道，2023年4月9日19時(shí)46分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射印度尼西亞PALAPA-N1衛(wèi)星，火箭一、二級(jí)飛行正常，三級(jí)工作異常，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)監(jiān)視判斷，火箭三級(jí)及衛(wèi)星殘骸已墜落，衛(wèi)星發(fā)射失利。故障排查及有關(guān)處理工作已全面展開。長(zhǎng)三乙的失敗，標(biāo)志著中國(guó)火箭30天內(nèi)兩次發(fā)射失敗，3月16日，中國(guó)海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心首次試飛實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)征七號(hào)甲火箭也未能將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。PALAPA-N1衛(wèi)星是印度尼西亞向中國(guó)采購(gòu)的第1顆商業(yè)通信衛(wèi)星，將在軌接替PALAPA-D衛(wèi)星，主要為印度尼西亞及中東地區(qū)提供廣播通信、企業(yè)服務(wù)、個(gè)人移動(dòng)通信等業(yè)務(wù)服務(wù)。衛(wèi)星起飛重量5550公斤，在軌服務(wù)壽命15年。
針對(duì)這次發(fā)射失敗，有網(wǎng)友就表示非常意外，接連的任務(wù)失敗必然暴露了一些問題，如今中國(guó)的航天技術(shù)已日臻成熟，但發(fā)射失敗卻接連襲來(lái)，令人很難接受。今天，我們來(lái)了解一下運(yùn)載火箭所使用的材料。人類許多最偉大的技術(shù)進(jìn)步，都可以追溯到對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。除了材料本身，制造技術(shù)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(duì)太空的探索無(wú)疑是20世紀(jì)最偉大的成就之一。運(yùn)載火箭將科學(xué)或商業(yè)有效載荷運(yùn)送到環(huán)繞地球的穩(wěn)定軌道的要求是非常復(fù)雜的，并且通常與一般的工程應(yīng)用有很大的差異。例如，火箭的結(jié)構(gòu)材料在上升過程中，需承受空氣動(dòng)力壓力階段的最大力，液體燃料系統(tǒng)的低溫，燃燒段和排氣段的高溫，以及使用氫作為燃料時(shí)帶來(lái)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(duì)于運(yùn)載火箭來(lái)說，大質(zhì)量的部件是不可接受的，其根源可以了解一下火箭科學(xué)的基礎(chǔ)——火箭方程。1903年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)將動(dòng)量守恒應(yīng)用于火箭，提出了他的火箭方程。從該方程可以看出，火箭結(jié)構(gòu)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。
整個(gè)燃料從初始燃燒狀態(tài)到最終狀態(tài)，導(dǎo)致火箭速度Δv發(fā)生變化。初始質(zhì)量和最終質(zhì)量之間的差異與排氣速度，共同決定了火箭可以達(dá)到的速度。火箭只是一個(gè)運(yùn)輸工具，其唯一目的是運(yùn)送有效載荷。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，依賴于火箭排出推進(jìn)劑后所能達(dá)到的最大速度。到達(dá)近地軌道所需的Δv約為8km/s。獲得這種Δv所需的推進(jìn)劑質(zhì)量，約占火箭整體質(zhì)量的83~ 94%（具體取決于推進(jìn)劑的類型）。火箭質(zhì)量的其余部分（m f）由火箭結(jié)構(gòu)材料和有效載荷組成。因此，當(dāng)燃料質(zhì)量確定時(shí)，火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量越低，有效載荷的質(zhì)量就越高。許多金屬具有高密度。但由于零件不能無(wú)限地薄，而高密度的材料通常會(huì)導(dǎo)致大質(zhì)量的零件。你可能會(huì)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(jīng)少量用于火箭的空間結(jié)構(gòu)中，但是它們有一些共同的缺點(diǎn)。即較低的熔點(diǎn)和較高的化學(xué)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(fù)合材料和陶瓷具有很高的強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，但它們通常太脆而無(wú)法承受動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷。因此，盡管鎳、鉻、鈷和鐵等一些金屬的密度相對(duì)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(shí)強(qiáng)調(diào)了這些金屬的實(shí)用性，他宣布將采用不銹鋼，而不是先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)材料，來(lái)制造星際飛船（Starship）和超重型火箭助推器。在新的設(shè)計(jì)中，不銹鋼301被用作多功能的集成結(jié)構(gòu)材料和隔熱板。從超低溫到1100k的超寬工作溫度范圍內(nèi)，不銹鋼301的性能優(yōu)于鋁合金和碳纖維制造的結(jié)構(gòu)，在以上三種材料中，用不銹鋼301制造的結(jié)構(gòu)質(zhì)量也是最輕的。
結(jié)構(gòu)，管道和推進(jìn)劑艙火箭結(jié)構(gòu)的最大質(zhì)量位置，通常集中在推進(jìn)劑艙，這些推進(jìn)劑艙還承受火箭本身的結(jié)構(gòu)性載荷。因此，推進(jìn)劑艙必須能在低溫條件下承受適度的壓力，同時(shí)還要承受火箭升空過程中急劇變化的機(jī)械載荷。最常見的設(shè)計(jì)是采用一個(gè)強(qiáng)化鋁合金制外殼，即使不從內(nèi)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(jié)構(gòu)性儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)，同時(shí)添加硅，鋰和微量的錳、鎂和鈦，可改善可鍛性并抑制應(yīng)力腐蝕。鋁合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，低溫能提高其抗拉強(qiáng)度，這對(duì)于火箭應(yīng)用特別有吸引力。為將燃料從燃料箱輸送到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并連接到其他輔助加壓系統(tǒng)，需使用供應(yīng)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(wú)法避免的彎曲變形。與此同時(shí)，如何在低溫下保持材料的強(qiáng)度和延展性，并與所傳輸?shù)娜剂狭鞯幕瘜W(xué)相容性也至關(guān)重要。任何避免發(fā)生氫脆，對(duì)于管道來(lái)說特別重要。耐腐蝕的321不銹鋼是火箭管路系統(tǒng)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(wěn)定化的作用。其他合適的材料還包括鎳基超級(jí)合金Inconel 718和不銹鋼A-218，它們都已用于制造航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）。下表列出了用于制造SSME的主要材料。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)–人類工程杰作毫無(wú)疑問，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)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(tài)氫被用來(lái)冷卻燃燒室內(nèi)壁，而該內(nèi)壁需面對(duì)的廢氣溫度超過2000K，需要強(qiáng)調(diào)的是，整個(gè)燃燒室的內(nèi)壁厚度還不到1mm。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜。火箭的推力大約等于推進(jìn)劑質(zhì)量流量乘以推進(jìn)劑的排空速度。這兩個(gè)參數(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中被優(yōu)化到極致。為了獲得高的推進(jìn)劑質(zhì)量流量，每個(gè)推進(jìn)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(jìn)劑的燃燒為渦輪泵提供動(dòng)力，推進(jìn)劑燃燒后產(chǎn)生的廢氣被輸送到主燃燒室，在主燃燒室與高壓推進(jìn)劑的主推進(jìn)劑流混合后并被點(diǎn)燃，使推進(jìn)劑迅速膨脹并通過發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的開口端向外排出。
火箭的推進(jìn)劑通常采用液氫和液氧。實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的高流速，專門配置了兩個(gè)渦輪泵。同時(shí)，噴嘴和主燃燒室由液氫冷卻，而推進(jìn)劑的預(yù)熱也有助于提高系統(tǒng)的整體效率。火箭噴嘴本身有一個(gè)非常聰明的設(shè)計(jì)，也源自基本的物理方程。它由一個(gè)可達(dá)到音速排氣的會(huì)聚部分組成。在這里，被加熱氣體的膨脹特性會(huì)發(fā)生變化，形成一個(gè)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(shù)可實(shí)現(xiàn)的典型排氣速度約為4000 m/s。噴嘴內(nèi)表面的熱負(fù)荷可以達(dá)到22 MW /m2，這個(gè)負(fù)荷與聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的熱負(fù)荷基本相當(dāng)，或相當(dāng)于太陽(yáng)表面輻射熱通量的三分之一。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是主燃燒室。在工作過程中，主燃燒室的工作環(huán)境非常惡劣，以至于任何在燃燒室內(nèi)工作的材料均可能會(huì)率先失效，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障和發(fā)射任務(wù)的失敗。主燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑被點(diǎn)燃時(shí)，冷卻通道和內(nèi)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(nèi)襯，使用液氫主動(dòng)冷卻技術(shù)對(duì)其冷卻，來(lái)承受推進(jìn)劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的巨大熱通量。NARloy-Z的強(qiáng)化機(jī)制是“固溶強(qiáng)化+析出強(qiáng)化”。NARloy-Z合金的固溶強(qiáng)化來(lái)源于Ag，而析出強(qiáng)化來(lái)源于Cu4Zr或Cu5Zr金屬間化合物。需要指出的是，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境下，NARloy-Z合金直接和巨量的熱態(tài)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(shí)，NARloy-Z合金中的銀會(huì)開始發(fā)生偏聚，從而降低材料強(qiáng)度；同時(shí)，這樣的溫度也能使氧大量擴(kuò)散到材料中，以至于Zr（鋯）被完全氧化，導(dǎo)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(qiáng)化機(jī)制都會(huì)崩潰，材料內(nèi)部會(huì)形成裂縫，材料內(nèi)部的裂紋會(huì)形成熱障，致使熱量不能有效地傳導(dǎo)給冷卻劑，使溫度進(jìn)一步升高。一旦進(jìn)入這一惡性循環(huán)，部件故障就迫在眉睫了，冷卻劑(也是火箭的液氫推進(jìn)劑!)將開始泄漏到燃燒室，點(diǎn)火將不再受控。雖然這不是直接致命的，但無(wú)疑會(huì)降低整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，以至于無(wú)法達(dá)到必要的發(fā)射速度Δv，最終導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗。盡管SSME技術(shù)是在上世紀(jì)70年代和80年代開發(fā)的，但其技術(shù)在可預(yù)見的未來(lái)仍具有重要意義。迄今為止報(bào)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(fā)動(dòng)機(jī)。基于以上事實(shí)，以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)巨大且可調(diào)的推力，美國(guó)宇航局已經(jīng)決定將航天飛機(jī)項(xiàng)目的剩余發(fā)動(dòng)機(jī)用于新的太空發(fā)射系統(tǒng)，新系統(tǒng)的首次發(fā)射已定于在2023年。鋼、有色金屬和超級(jí)合金使現(xiàn)代太空探索成為可能，并且依然是運(yùn)載火箭的主流材料，主要是基于安全的考慮。開發(fā)新型材料，尤其是復(fù)合材料，還有巨大的想象空間和潛力，新材料的技術(shù)進(jìn)步，也將促進(jìn)新一代運(yùn)載火箭和航天器的發(fā)展，使它們比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)大，更加靈活。再回到4月9日的火箭發(fā)射失敗事件，其實(shí)我們也不必過分擔(dān)憂，這世上沒有“零失敗”的航天工程，人類的航空航天史，本質(zhì)上就是從一個(gè)個(gè)失敗的教訓(xùn)中走過的歷史。失敗不可怕，可怕的是：不能認(rèn)真檢視失敗的真實(shí)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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