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為什么我要用不銹鋼替代碳纖維建造星際飛船?

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2019-03-06  來源:儀器信息網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):222

馬斯克在一月份的推特上說,以前被稱為BFR的火箭將由不銹鋼而不是碳纖維制造。在這次《大眾機(jī)械》 雜志的獨(dú)家采訪中,他將告訴我們?yōu)槭裁础?/p>   SpaceX目前在用不銹鋼材料制作巨型火箭。據(jù)我們所知,這是自20世紀(jì)50年代末阿特拉斯計(jì)劃中一些命運(yùn)多舛的嘗試以來,不銹鋼材料首次用于航天器的制造。   我們之所以了解到他的舉動(dòng),是因?yàn)閿?shù)周以來一直有傳聞設(shè)計(jì)會(huì)有小幅優(yōu)化,但在圣誕節(jié)前幾天,馬斯克透露此次并非小幅優(yōu)化。構(gòu)成 星艦火箭 (此前稱為BFR,或Big Falcon Rocket或Big F-other-word Rocket)的箭體及其 超重型 (Super Heavy)助推器的最先進(jìn)的碳纖維材料將被300系列不銹鋼所取代。       即將測試飛行的 星艦 火箭剛剛在SpaceX位于德克薩斯州的發(fā)射場完成組裝。這是一張未渲染過的真實(shí)圖片。 Elon Musk(@elonmusk)2019年1月11日(來源 | twitter)   1月10日,馬斯克在推特上發(fā)布了一張 星艦 測試版的照片 基本上是一架原型機(jī),可用于亞軌道垂直起降(垂直起飛和著陸)的測試飛行,飛行高度約為16,400英尺,他稱之為 啤酒花 。   自準(zhǔn)揭幕以來,馬斯克通過Twitter簡短直接地回答了好奇的網(wǎng)友們提出的一些問題。但在公布前兩周,他在位于加州霍索恩的SpaceX總部接受了《大眾機(jī)械》主編瑞安 達(dá)戈斯蒂諾的獨(dú)家采訪。他非常詳細(xì)地講述了這一變化背后自己的想法。除此以外,他也談及了更多的話題 我們很快就會(huì)給你呈現(xiàn)更多的內(nèi)容。就目前而言,以下是他對這一重大變化的采訪實(shí)錄。   安 達(dá)戈斯蒂諾: 你一直在忙著重新設(shè)計(jì)星艦。   埃隆 馬斯克:是的。 星艦和 超重型 火箭助推器的設(shè)計(jì)改為用特殊的不銹鋼合金。我對此考慮了很久。這種做法有點(diǎn)違反常理,我費(fèi)了很大勁才說服團(tuán)隊(duì)朝著這個(gè)方向努力。但現(xiàn)在我相信他們對此深信不疑,是的,他們被說服了。我們曾經(jīng)尋找一種先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu),但進(jìn)展非常緩慢。碳纖維成本為每公斤135美元,并且有大約35%的報(bào)廢率 比如你切割纖維,其中一些就無法使用,所以實(shí)際成本接近每公斤200美元,而不銹鋼則只有3美元。。它浸漬了高強(qiáng)度樹脂,處理起來非常棘手,而且有60到120層。   如果你看一下高質(zhì)量不銹鋼的特性,印象中它不是最輕的,可是事實(shí)上它卻是最輕的   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:相比之下,不銹鋼如何呢?   埃隆 馬斯克:對于不銹鋼來說,違反常理的一點(diǎn)是,雖然很明顯它便宜、進(jìn)度也快很多,但印象中它不是最輕的??墒鞘聦?shí)上它卻是最輕的。如果你看一下高質(zhì)量不銹鋼的特性,不易發(fā)現(xiàn)的一點(diǎn)是,在低溫下其強(qiáng)度會(huì)提高50%。   大多數(shù)鋼在低溫條件下會(huì)變得非常脆。你肯定也見過在碳鋼上噴液氮的戲法 噴些液氮,然后用錘子打碳鋼,它會(huì)像玻璃一樣破碎。大多數(shù)鋼都是如此,但對于鉻鎳含量高的不銹鋼卻并非如此。鉻鎳會(huì)增加了不銹鋼的強(qiáng)度,并提高其延展性。所以,即使在零下330華氏度,這種不銹鋼會(huì)有12%到18%的延展性,非常有韌性,非常堅(jiān)固,沒有碎裂問題。   斷裂韌性指的是這樣一種性質(zhì):如果某些東西有一個(gè)小裂縫,材料是會(huì)阻止裂縫,還是會(huì)導(dǎo)致裂縫擴(kuò)散?因此,當(dāng)經(jīng)歷重復(fù)振動(dòng)的多個(gè)應(yīng)力循環(huán)時(shí),材料中的小缺陷會(huì)擴(kuò)散多少?   所以,有些材料可以阻止自己裂縫。   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:所以有些材料可以阻止自己裂縫。   埃隆 馬斯克:是的,比如陶瓷 像咖啡杯之類 很難阻止裂縫。一旦裂縫開始,就會(huì)像玻璃一樣直至最后完全碎裂。然而根據(jù)金屬類型的不同,某些金屬具有比其他金屬更好的斷裂韌性,而斷裂韌性可隨溫度而變化。從技術(shù)上來看,韌性是指應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的區(qū)域。因此,當(dāng)你對某個(gè)物體施加壓力時(shí),這個(gè)物體會(huì)有多大的應(yīng)變,或者說物體會(huì)有多大的變形?這是一個(gè)重要的效益。   不銹鋼是早期阿特拉斯計(jì)劃中使用的材料。早期的阿特拉斯是一個(gè)鋼制球罐。阿特拉斯計(jì)劃的缺陷在于這種材料太薄,以至于它會(huì)在自身重量作用下坍塌。這是一個(gè)無法經(jīng)久耐用的鋼制氣球,它會(huì)像一個(gè)充氣城堡一樣坍塌,甚至無法攜帶一個(gè)很小的有效載荷。早期的阿特拉斯有多個(gè)案例是真的在發(fā)射墊上坍塌造成的災(zāi)難。   不過,當(dāng)你把它看做是可循環(huán)利用的飛行器時(shí),我認(rèn)為有一個(gè)很重要的技巧???,這是鋼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn):它具有高熔點(diǎn),比鋁高得多。雖然碳纖維不會(huì)熔化,但樹脂在一定溫度下會(huì)被破壞。所以通常鋁或碳纖維的材料需要一個(gè)穩(wěn)定的工作溫度,大約被限制在300華氏度(約150攝氏度)左右。這個(gè)溫度并不高,在這個(gè)溫度以內(nèi)只能進(jìn)行一些短途旅行,或許可以超過一下限度,到350華氏度,再努力一下到400華氏度(約204攝氏度)。但是400華氏度的話,就真的到達(dá)極限了。材料會(huì)變?nèi)?,有些碳纖維雖然可以承受400華氏度,但是強(qiáng)度方面就會(huì)縮水。但鋼鐵可以達(dá)到1500~1600華氏度(816~871攝氏度)。   還有一件重要的事情會(huì)帶來很大的不同   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:你們有一個(gè)完整的冶金團(tuán)隊(duì)嗎?   埃隆 馬斯克:我們確實(shí)有一個(gè)很棒的材料組,但最初我們會(huì)簡單地使用高品質(zhì)的301不銹鋼。還有一件重要的事情會(huì)帶來很大的不同。在上升過程中,你需要一些在低溫下強(qiáng)度很高的東西;再入時(shí),需要能夠承受高溫的東西。因此,隔熱罩的質(zhì)量由隔熱瓦和空氣框架之間界面處的溫度決定。無論是機(jī)械的還是粘合在一起,不管接合點(diǎn)是什么,這決定了隔熱罩的厚度。   例如,在龍飛船上,隔熱瓦片的厚度實(shí)際上是由隔熱罩傳到殼體的粘合線上的熱量決定的,而不是由隔熱瓦的侵蝕程度決定的。它實(shí)際上是由隔熱瓦到粘合線之間的導(dǎo)電性所決定的,所以在使用降落傘下降時(shí),我們不會(huì)丟失隔熱瓦?;旧蠜]有人想丟掉隔熱瓦。   如果使用鋼材,就可以在1500 華氏度(816攝氏度)而不是300 華氏度(150攝氏度)的接口溫度下自如地使用,因此在接口點(diǎn)的溫度承受能力提高了5倍,這意味著,對于鋼結(jié)構(gòu)來說,后殼的背風(fēng)側(cè)不需要任何隔熱設(shè)備。   在迎風(fēng)面,我想做的是有史以來第一個(gè)再生隔熱罩。像不銹鋼三明治一樣的雙層不銹鋼外殼,基本上有兩層。實(shí)際上,你只需要兩個(gè)與桁條連接的層。你可以在夾層之間放置水,然后在外層有微小的穿孔,非常微小的穿孔,除非靠近,否則根本看不到它們。這些微小的孔可以排水,等于是在使用蒸騰冷卻來冷卻火箭的迎風(fēng)面。所以整件事看起來仍然是全鉻質(zhì)感的,就像擺在我們面前的這個(gè)雞尾酒調(diào)酒器。但其中一方將是雙層的并且具有雙重目的,即加強(qiáng)機(jī)體的結(jié)構(gòu),使其不重蹈阿特拉斯命運(yùn)的覆轍。你有一個(gè)隔熱罩,它作為一個(gè)結(jié)構(gòu)提供雙重保障,就是這樣。              便攜式XRF熒光光譜儀快速檢測不銹鋼牌號和含量     據(jù)我所知,這種做法之前從未被建議過。   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:據(jù)我所知,這種做法之前從未被建議過。這是一個(gè)巨大的變化。   埃隆 馬斯克:是的。   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:鋼材來自哪里?   埃隆 馬斯克:它就是301不銹鋼。這么說吧,304不銹鋼是人們制作罐子的材料,儲量很多。   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:這對你的進(jìn)度有什么影響?   埃隆 馬斯克:它會(huì)加快進(jìn)度。   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:因?yàn)樗菀资褂脝幔?   埃隆 馬斯克:是的。鋼材非常容易使用。哦,我忘了提到,碳纖維每公斤135美元,報(bào)廢率35%,所以差不多要每公斤200美元。但鋼材每公斤只需3美元。   瑞安 達(dá)戈斯蒂諾:這是一個(gè)好主意。   埃隆 馬斯克:是的。     更多相關(guān)信息》》》 銀行被坑8000萬!騙子用幾十噸 白銀 質(zhì)押貸款 竟然全是鋅! 鐵礦石價(jià)格達(dá)到兩年來的高位 汽車輕量化大潮更加離不開鋼材 回首2018,展望2019,一路相伴感恩有你 北京華歐2019年春節(jié)放假通知  見過銀、銅、鋅、鉛結(jié)晶之美嗎?    

 
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