為何用不銹鋼造太空飛船 馬斯克：好用！便宜！

據(jù)大眾機械雜志報道，埃隆·馬斯克(Elon Musk)不久前曾發(fā)推文，宣稱星際飛船(Starship)將由不銹鋼材料制造，而不使用碳纖維。據(jù)我們所知，這標(biāo)志著自20世紀(jì)50年代后期Atlas項目的失敗嘗試以來，不銹鋼材料首次被用于航天器制造方面。

實際上，早在圣誕節(jié)前幾天，馬斯克就曾透露，將對星際飛船進(jìn)行更多的調(diào)整。當(dāng)時馬斯克宣稱，最先進(jìn)的碳纖維構(gòu)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(fā)布了星際飛船測試版本的照片，稱這是一架可以用于亞軌道垂直起降測試飛行的原型，飛行高度接近5000米。他把這些測試成為“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周前，馬斯克在加州霍桑的SpaceX總部接受了《大眾機械》主編瑞安·達(dá)戈斯蒂諾(Ryan D'agostino)的獨家采訪，非常詳細(xì)地討論了這些改變背后的想法。

采訪摘要如下：

達(dá)戈斯蒂諾：你一直在忙著重新設(shè)計星際飛船?

馬斯克：是的。星際飛船和超重型火箭助推器的制造，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(dāng)多的精力說服團隊朝這個方向前進(jìn)。但是現(xiàn)在，我相信他們已經(jīng)被說服了。我們始終在追求一種先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)，但進(jìn)展非常緩慢，每千克成本為135美元。然后大概有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(dá)戈斯蒂諾：相比之下，不銹鋼如何?

馬斯克：不銹鋼最大的優(yōu)點是足夠便宜，而且生產(chǎn)速度很快，盡管它顯然不是最輕的材料。但實際上，這已經(jīng)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(zhì)量不銹鋼的性能和強度提高了50%。大多數(shù)鋼在低溫下會變得很脆，比如典型的碳鋼，當(dāng)你向上噴灑液氮并用錘子擊打時，它會像玻璃那樣粉碎。

大多數(shù)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(zhì)，如果某個物體有個小裂縫，材料是傾向于阻止裂縫還是擴大裂縫?當(dāng)你經(jīng)歷多次振動應(yīng)力循環(huán)時，材料中的一個小缺陷會放大多少?

達(dá)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)，它不善于阻止裂縫擴大。一旦出現(xiàn)裂縫，它就像玻璃那樣炸裂。然后根據(jù)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(shù)上講，韌性是應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的區(qū)域。當(dāng)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就是個鋼制氣球罐，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(fā)射臺上崩潰并造成災(zāi)難的案例有很多。

這里有個技巧我認(rèn)為很重要，那就是你把它當(dāng)作需要再次進(jìn)入大氣層的飛行器來看待?？?，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(wěn)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(dá)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(dá)815-871攝氏度之間。

達(dá)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(zhì)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(jìn)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(zhì)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，無論界面點是什么，都取決于擋熱板的厚度。

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(jié)在殼體上。所以隔熱瓦不會在下落的過程中失去?；旧?，你也不會想把瓦片扔掉。

使用了不銹鋼合金，現(xiàn)在你可以輕松承受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，對于鋼結(jié)構(gòu)來說，背殼的背風(fēng)面不需要任何擋熱板。而在迎風(fēng)的一面，我想做的是安置可再生擋熱板。雙層不銹鋼外殼(類似于不銹鋼三明治)，本質(zhì)上只有兩層，你只需要用特殊物質(zhì)粘結(jié)它們。

在不銹鋼三明治之間流動燃料或水，然后在外面有微小的孔，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(fēng)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(diào)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(jié)構(gòu)，這樣它就不會重蹈Atlas的命運。你有個雙重功能的隔熱結(jié)構(gòu)。據(jù)我所知，這是以前從未有人提出過的。

達(dá)戈斯蒂諾：這是個巨大的變化。

馬斯克：是的。

達(dá)戈斯蒂諾：鋼鐵將從哪里來?

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

達(dá)戈斯蒂諾：這對你的原計劃有什么影響?

馬斯克：這有助于加速原計劃的實施。

達(dá)戈斯蒂諾：因為它更容易采用?

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(dá)戈斯蒂諾：這是個好主意!

馬斯克：的確如此!