圖 | 加壓測(cè)試

以不銹鋼顛覆航天材料

（來(lái)源：淘寶）

把工業(yè)器件送上太空

（來(lái)源：SpaceX）

遠(yuǎn)期目標(biāo)：火星

 

延伸閱讀

為何馬斯克選用不銹鋼造太空飛船？

據(jù)大眾機(jī)械雜志報(bào)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(xiàng)目的失敗嘗試以來(lái)，不銹鋼材料首次被用于航天器制造方面。

實(shí)際上，早在圣誕節(jié)前幾天，馬斯克就曾透露，將對(duì)星際飛船進(jìn)行更多的調(diào)整。當(dāng)時(shí)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(shí)，馬斯克在Twitter上發(fā)布了星際飛船測(cè)試版本的照片，稱這是一架可以用于亞軌道垂直起降測(cè)試飛行的原型，飛行高度接近5000米。他把這些測(cè)試成為“跳躍測(cè)試”。

自揭開(kāi)星際飛船的神秘面紗以來(lái)，馬斯克通過(guò)Twitter簡(jiǎn)短地回答了許多好奇太空觀察者提出的直接問(wèn)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(jī)械》主編瑞安·達(dá)戈斯蒂諾（Ryan D'agostino）的獨(dú)家采訪，非常詳細(xì)地討論了這些改變背后的想法。

馬斯克表示星際飛船和超重型火箭助推器的制造，換成了特殊的不銹鋼合金。當(dāng)人們?cè)谧非笠环N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。大概有35%的廢料，剪掉的部分有些再也無(wú)法使用。此外，這種碳纖維是用高強(qiáng)度樹(shù)脂浸漬的，非常麻煩。

相比之下，不銹鋼最大的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(qiáng)度提高了50%。大多數(shù)鋼在低溫下會(huì)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(shí)，它會(huì)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(huì)這樣。實(shí)際上它們的強(qiáng)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(jiān)韌，且沒(méi)有斷裂的問(wèn)題。斷裂韌性是一種性質(zhì)，如果某個(gè)物體有個(gè)小裂縫，材料是傾向于阻止裂縫還是擴(kuò)大裂縫？當(dāng)你經(jīng)歷多次振動(dòng)應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料中的一個(gè)小缺陷會(huì)放大多少？

不銹鋼是Atlas項(xiàng)目早期使用的材料。早期的Atlas就是個(gè)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(huì)坍塌。這是個(gè)鋼鐵氣球，它幾乎站不起來(lái)，反而會(huì)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(tái)上崩潰并造成災(zāi)難的案例有很多。

鋼鐵的另一個(gè)好處：它的熔點(diǎn)很高，比鋁高得多。雖然碳纖維也不會(huì)融化，但樹(shù)脂在特定溫度下會(huì)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(shí)，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(qiáng)度會(huì)降低。而鋼鐵可以承受的溫度高達(dá)815-871攝氏度之間。

馬斯克還提到，他們擁有非常棒的材料團(tuán)隊(duì)，不過(guò)一開(kāi)始也只使用高質(zhì)量的301系列不銹鋼。在上升過(guò)程中，需要材料在低溫下保持強(qiáng)度。進(jìn)入大氣層時(shí)，需要它能夠承受住高溫的考驗(yàn)。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(wú)論它是機(jī)械的，還是粘合的，無(wú)論界面點(diǎn)是什么，都取決于擋熱板的厚度。

舉例來(lái)說(shuō)，在“龍飛船”（Dragon）身上，擋熱板的厚度實(shí)際上是由擋熱板的熱浸潤(rùn)作用決定的，熱浸潤(rùn)作用會(huì)使擋熱瓦粘結(jié)在殼體上。所以隔熱瓦不會(huì)在下落的過(guò)程中失去。基本上，你也不會(huì)想把瓦片扔掉。

使用了不銹鋼合金，可以輕松承受800多攝氏度的高溫，界面溫度上升了5倍。這意味著，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，背殼的背風(fēng)面不需要任何擋熱板。而在迎風(fēng)的一面，所要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(dòng)燃料或水，然后在外面有微小的孔，這實(shí)際上就是通過(guò)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(lái)冷卻火箭的迎風(fēng)面。所以整個(gè)東西看起來(lái)還是全鉻的，就像我們面前的這個(gè)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(huì)重蹈Atlas的命運(yùn)。你有個(gè)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(guò)的。

這是個(gè)巨大的變化。

不銹鋼在航空航天工業(yè)上的應(yīng)用

航天航天工業(yè)上分為航空裝備用不銹鋼和航天設(shè)備用不銹鋼。這期我們先看一下航空裝備用不銹鋼。

航空裝備用不銹鋼分為航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。

航空裝備用不銹鋼    

航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

壓縮機(jī)葉片、葉輪：1Cr16、5Ni4、5Mo3N；

加力燃燒室內(nèi)套、噴口瓣：0Cr20Ni20、Co20Mo3W2NbN；

渦輪導(dǎo)向葉片、內(nèi)外環(huán)、軸：A286；

燃燒室噴嘴：AISI 410；

壓縮機(jī)定子及轉(zhuǎn)子葉片：AISI 403；

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片：1Cr17Ni2、1Cr11Ni2W2MoV；

渦輪盤（納米晶，200nm）：A286（AISI 304及410）；

高壓壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子、葉片：1Cr10Co6MoVNb；

低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸、機(jī)盒、燃燒室：1Cr12Ni3Mo2V；

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)：0Cr21Ni6Mn9N；

拉桿（420℃）、抗應(yīng)力腐蝕結(jié)構(gòu)鋼：07Cr16Ni6；

散熱器：1Cr19Ni11Si4TiAl；

殼體：1Cr25Ni5Ti；

發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件、裝配件、零件：16-4PH、PH-13-8Mo；

中溫不銹鋼耐熱齒輪、彈簧：05Cr15Ni6Mo0.8Cu1.5Nb；

高強(qiáng)耐熱零件：0Cr21Ni6Mn9N；

渦輪機(jī)渦殼：20Cr15Mo1.5N0.4V；

柱塞泵彈簧、減壓活門彈簧：13Cr18Ni8.5；

主軸：高N不銹鋼Cronidur。

航空裝備用不銹鋼    

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

框架、起落架：0Cr13Ni8Mo2Al、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr15Ni5Cu3Nb；

蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、桁架：0Cr14Ni8Mo2Al、0Cr13Ni8Mo2Al；

框架、大梁：1Cr16.5Ni4.5Mo3N；

《550℃燃料箱、密封容器、螺栓：08Cr15Ni5Mo3；

緊固件：1Cr13、2Cr13、0Cr13Ni8Mo2Al；

彈簧、齒輪、蒙皮、緊固件：3Cr13Mo、0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr15Ni5Cu3Nb；

機(jī)翼軌道、作動(dòng)器：00Cr12Ni11Mo1Ti1.6；

壓力容器、緊固件（抗氫脆性好）：00Cr10Ni10Mo2AlTi；

航空燃料與液壓控制系統(tǒng)：奧氏體鉻鎳不銹鋼；

預(yù)研新型高強(qiáng)高韌耐蝕結(jié)構(gòu)件：KIscc提高3倍，耐蝕性≥15-5PH高強(qiáng)不銹鋼。

航天設(shè)備用不銹鋼分為飛船、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器、火箭結(jié)構(gòu)件、資源節(jié)約型不銹鋼。

彈射彈簧、指令艙內(nèi)外蒙皮、火箭殼體彈射彈簧、火箭蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、燃料箱、液氧瓶：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al；

緊固件：A286；

登月艙傳動(dòng)裝置齒輪、閥門：AISI 440；

宇宙飛船軸承與摩擦部件：145Cr14.5V2 （BG42）；

登月艙天線和機(jī)械艙：0Cr14Ni8Mo2Al；

宇宙軌道飛行器流體管路：1Cr21Ni6Mn9N。

固體火箭助推器輔助動(dòng)力裝置的燃料分離閥門：Cr15.5Ni4.25Mo2.75N；

火箭、航天器軸承：33Cr16Mo1N；

大型火箭殼體：0Cr16Ni4Cu3Nb；

薄璧壓力客器（發(fā)煙硝酸）：AISI 410；

液體發(fā)動(dòng)機(jī)：00Cr15Ni6Nb、1Cr21Ni5Ti、1Cr17Ni7、00Cr14Ni11、00Cr10Ni10等；

姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥：02Cr18Ni0.5Ti0.4RE；

瞬間高溫彈簧：00Cr13Ni8Mo2TiNbAl、00Cr12Ni8Cu2AlNb；

火焰簡(jiǎn)、尾噴管：1Cr21Ni6Mn9N；

預(yù)研納米晶（200nm）渦輪盤：AISI 304、410；

火箭低溫高壓容器：00Cr11Ni10Mo2TiAl、00Cr14Ni16Mo2NbAl。

土星5號(hào)厚壁壓力客器、墊片、密封墊、彈簧：ICr16.5Ni4.5Mo3N；

遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、探空火箭機(jī)身結(jié)構(gòu)：ICr17Ni7；

運(yùn)載火箭二次火箭筒體：ICr13；

高壓耐蝕氣瓶：0Cr17Ni7MoAl；

高速飛行器、火箭軸承、摩擦件：145Cr14.5V2 （BG42）；

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼：ICr25Ni5Ti；

航天飛機(jī)燃料泵：x30CrMoN15-1；

陀羅儀防振臺(tái)架、控制盤等：防振不銹鋼；

新型結(jié)構(gòu)件（高強(qiáng)、高初、耐蝕）：2000MPa級(jí)Ferium S53（21Cr10Co14Ni5.5Mo2W1V0.3）；

注射成形轉(zhuǎn)子：17-4PH。

對(duì)于較短時(shí)間使用且難以回收部件：08Cr12Mn5Ni4Mo2Al（部分代0Cr15Ni7Mo2Al）及0Cr17Ni4Mn3Al（部分代0Cr17Ni7Al）。