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(wǎng)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(fā)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(xiàn)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(jiān)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(xiàn)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(tǒng)測試，這也是SpaceX正式實現(xiàn)載人前的最后一個大的測試。本次發(fā)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(yè)載人航天新時代。從發(fā)射首艘測試版龍飛船到首次載人發(fā)射龍飛船，SpaceX十年磨一劍，開創(chuàng)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(chuàng)立了太空探索技術公司(SpaceX)，公司的目標是建立商業(yè)化太空發(fā)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(fā)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(yǎng)，這也為SpaceX快速開發(fā)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(xù)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(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)將成為人類歷史上最強大的運載火箭系統(tǒng)，能將超過100噸的衛(wèi)星系統(tǒng)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(zhì)量超過3000噸，使用過冷的液態(tài)甲烷和液態(tài)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(fā)動機，推進劑為低溫甲烷和液氧，而不是SpaceX先前在Merlin發(fā)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(yè)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(jīng)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(zhì)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(huán)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(guī)的發(fā)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(huán)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(zhì)量。考慮到“星艦”飛船和“超級重型”火箭的特殊需求，常規(guī)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(shù)，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(huán)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(fā)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(fā)射前和發(fā)射中的工作條件。除了要考慮傳統(tǒng)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(jīng)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(zhí)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(cè)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(nèi)，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(nèi)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(yè)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(yè)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(huán)機械負載的應用中會變得十分危險。因為只需要發(fā)生微小的應變。這些陶瓷材料就會發(fā)生斷裂。而不銹鋼材料具有無可比擬的先天優(yōu)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(huán)。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(tài)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(nèi)。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(fā)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(fā)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(yōu)于被動隔熱方案，這樣，在第二次發(fā)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(xiàn)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(yōu)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(yè)化的發(fā)展以及每年發(fā)射次數(shù)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(chǎn)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(shù)量級。盡管將1kg有效載荷發(fā)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(wèi)星設計中非常普遍等網(wǎng)格（Isogrid）結構。
Arcam EBM-增材制造的Isogrid錐形截頭圓錐形發(fā)動機機殼等網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(yè)衛(wèi)星領域，預計年內(nèi)發(fā)射兩顆低軌衛(wèi)星。據(jù)悉，由浙江時空道宇科技有限公司自主設計完成的首發(fā)兩顆低軌衛(wèi)星目前已通過各項鑒定試驗與測試，預計將于2023年內(nèi)完成發(fā)射，而發(fā)射這兩顆衛(wèi)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(jù)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(huán)節(jié)，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(nèi)共計四十余個崗位名額，同時薪酬待遇也比較高。據(jù)吉利集團官方消息，吉利于2021年戰(zhàn)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(tài)。根據(jù)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(zhàn)略子公司，團隊核心技術成員均來自于國家航天體系內(nèi)，擁有多年衛(wèi)星研發(fā)經(jīng)驗。公司主要負責全球通信及導航星座系統(tǒng)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(yè)用戶提供衛(wèi)星通信和導航一體化的解決方案，布局成為以自有衛(wèi)星為核心的天地一體化物聯(lián)應用解決方案服務商。
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