為何用不銹鋼造太空飛船，馬斯克：好用又便宜

圖：SpaceX“星際飛船”的測試原型

網易科技訊1月24日消息，據大眾機械雜誌報導，埃隆·馬斯克（Elon Musk）不久前曾發推文，宣稱星際飛船（Starship）將由不銹鋼材料製造，而不使用碳纖維。據我們所知，這標誌著自20世紀50年代後期Atlas項目的失敗嘗試以來，不銹鋼材料首次被用於航天器製造方面。

實際上，早在聖誕節前幾天，馬斯克就曾透露，將對星際飛船進行更多的調整。當時馬斯克宣稱，最先進的碳纖維構成了星際飛船的火箭(以前稱為BFR，或大獵鷹火箭)主體，其超重型火箭助推器（Super Heavy）將被300系列不銹鋼所取代。1月10日時，馬斯克在Twitter上發布了星際飛船測試版本的照片，稱這是一架可以用於亞軌道垂直起降測試飛行的原型，飛行高度接近5000米。他把這些測試稱為“跳躍測試”。

自揭開星際飛船的神秘面紗以來，馬斯克通過Twitter簡短地回答了許多好奇太空觀察者提出的直接問題。但在宣布這一消息兩週前，馬斯克在加州霍桑的SpaceX總部接受了《大眾機械》主編瑞安·達戈斯蒂諾(Ryan D’agostino)的獨家採訪，非常詳細地討論了這些改變背後的想法。

採訪摘要如下：

達戈斯蒂諾：你一直在忙著重新設計星際飛船？

馬斯克：是的。星際飛船和超重型火箭助推器的製造，我換成了特殊的不銹鋼合金。我想了一會兒，這有點違反直覺。我花了相當多的精力說服團隊朝這個方向前進。但是現在，我相信他們已經被說服了。我們始終在追求一種先進的碳纖維結構，但進展非常緩慢，每千克成本為135美元。然後大概有35%的廢料，比如剪掉的部分有些再也無法使用。此外，這種碳纖維是用高強度樹脂浸漬的，非常麻煩。

達戈斯蒂諾：相比之下，不銹鋼如何？

馬斯克：不銹鋼最大的優點是足夠便宜，而且生產速度很快，儘管它顯然不是最輕的材料。但實際上，這已經是我們能找到的最輕適用材料。在不是特別低的溫度下，高質量不銹鋼的性能和強度提高了50%。大多數鋼在低溫下會變得很脆，比如典型的碳鋼，當你向上噴灑液氮並用錘子擊打時，它會像玻璃那樣粉碎。

大多數鋼材都是這樣，但鉻鎳含量較高的不銹鋼卻不會這樣。實際上它們的強度反而有所增加，延展性仍然很高。所以即使在零下165攝氏度條件下，延展性依然良好，非常堅韌，且沒有斷裂的問題。斷裂韌性是一種性質，如果某個物體有個小裂縫，材料是傾向於阻止裂縫還是擴大裂縫？當你經歷多次振動應力循環時，材料中的一個小缺陷會放大多少？

達戈斯蒂諾：所以有些材料可以阻止自己的裂縫擴大。

馬斯克：對，比如說陶瓷（就像咖啡杯），它不善於阻止裂縫擴大。一旦出現裂縫，它就像玻璃那樣炸裂。然後根據你所擁有的金屬類型不同（有些金屬具有更好的斷裂韌性），斷裂韌性會隨著溫度的變化而變化。從技術上講，韌性是應力-應變曲線下的區域。當你對某物施加壓力時，該物體會有多大程度變形？這是個非常重要的特性。

不銹鋼是Atlas項目早期使用的材料。早期的Atlas就是個鋼製氣球罐，其缺陷在與這種材料太薄，在自身重量的作用下會坍塌。這是個鋼鐵氣球，它幾乎站不起來，反而會像有彈性的城堡一樣倒塌，甚至不能承受非常小的有效載荷。早期的Atlas在發射台上崩潰並造成災難的案例有很多。

這裡有個技巧我認為很重要，那就是你把它當作需要再次進入大氣層的飛行器來看待。看，這是鋼鐵的另一個好處：它的熔點很高，比鋁高得多。雖然碳纖維也不會融化，但樹脂在特定溫度下會遭到破壞。典型的鋁或碳纖維，在穩定的工作條件下，其能承受的溫度在149攝氏度左右。你可以利用它們做些短途太空旅行，偶爾可承受176攝氏度的溫度。但是到達204攝氏度時，可能就超越極限了。有些碳纖維可以承受204攝氏度的高溫，但是強度會降低。而鋼鐵可以承受的溫度高達815-871攝氏度之間。

達戈斯蒂諾：你們有完整的冶金團隊嗎？

馬斯克：我們有個非常棒的材料團隊，但一開始我們只使用高質量的301系列不銹鋼。還有一件重要的事會帶來很大的不同。在上升過程中，你需要材料在低溫下保持強度。進入大氣層時，你需要它能夠承受住高溫的考驗。因此，擋熱板的質量是由擋熱瓦與空氣之間的界面溫度所決定的。無論它是機械的，還是粘合的，無論界麵點是什麼，都取決於擋熱板的厚度。

舉例來說，在“龍飛船”（Dragon）身上，擋熱板的厚度實際上是由擋熱板的熱浸潤作用決定的，熱浸潤作用會使擋熱瓦粘結在殼體上。所以隔熱瓦不會在下落的過程中失去。基本上，你也不會想把瓦片扔掉。

使用了不銹鋼合金，現在你可以輕鬆承受800多攝氏度的高溫，所以你的界面溫度上升了5倍。這意味著，對於鋼結構來說，背殼的背風面不需要任何擋熱板。而在迎風的一面，我想做的是安置可再生擋熱板。雙層不銹鋼外殼（類似於不銹鋼三明治），本質上只有兩層，你只需要用特殊物質粘結它們。

在不銹鋼三明治之間流動燃料或水，然後在外面有微小的孔，這實際上就是通過外面的微孔釋放水或燃料。除非你靠近，否則你看不到這些微孔，但是你可以用蒸騰冷卻的方法來冷卻火箭的迎風面。所以整個東西看起來還是全鉻的，就像我們面前的這個雞尾酒調酒器。但是有一面是雙層的，它有雙重用途，那就是加固飛行器的結構，這樣它就不會重蹈Atlas的命運。你有個雙重功能的隔熱結構。據我所知，這是以前從未有人提出過的。

達戈斯蒂諾：這是個巨大的變化。

馬斯克：是的。

達戈斯蒂諾：鋼鐵將從哪裡來？

馬斯克：只是普通的301系列不銹鋼。讓我這麼說吧：304系列不銹鋼是他們做罐子的材料，很容易得到。

達戈斯蒂諾：這對你的原計劃有什麼影響？

馬斯克：這有助於加速原計劃的實施。

達戈斯蒂諾：因為它更容易採用？

馬斯克：是的，不銹鋼很容易加工。哦，我忘了說：碳纖維的價格是每公斤135美元，35%的廢料，所以成本實際上接近每公斤200美元。而不銹鋼每公斤的售價僅3美元。

達戈斯蒂諾：這是個好主意！

馬斯克：的確如此！（小小）

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