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刚刚,马斯克星际飞船爆炸试验中止!不锈钢“高压锅”再次全身而退
2020-09-23 13:10:22 作者:综合整理 来源:国家材料腐蚀与防护科学数据中心

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图 | 加压测试


以不锈钢颠覆航天材料

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(来源:淘宝)

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把工业器件送上太空

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(来源:SpaceX)

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远期目标:火星

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延伸阅读


为何马斯克选用不锈钢造太空飞船?


据大众机械杂志报道,埃隆·马斯克(Elon Musk)不久前曾发推文,宣称星际飞船(Starship)将由不锈钢材料制造,而不使用碳纤维。据我们所知,这标志着自20世纪50年代后期Atlas项目的失败尝试以来,不锈钢材料首次被用于航天器制造方面。


实际上,早在圣诞节前几天,马斯克就曾透露,将对星际飞船进行更多的调整。当时马斯克宣称,最先进的碳纤维构成了星际飞船的火箭(以前称为BFR,或大猎鹰火箭)主体,其超重型火箭助推器(Super Heavy)将被300系列不锈钢所取代。1月10日时,马斯克在Twitter上发布了星际飞船测试版本的照片,称这是一架可以用于亚轨道垂直起降测试飞行的原型,飞行高度接近5000米。他把这些测试成为“跳跃测试”。

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自揭开星际飞船的神秘面纱以来,马斯克通过Twitter简短地回答了许多好奇太空观察者提出的直接问题。但在宣布这一消息两周前,马斯克在加州霍桑的SpaceX总部接受了《大众机械》主编瑞安·达戈斯蒂诺(Ryan D'agostino)的独家采访,非常详细地讨论了这些改变背后的想法。


马斯克表示星际飞船和超重型火箭助推器的制造,换成了特殊的不锈钢合金。当人们在追求一种先进的碳纤维结构,但进展非常缓慢,每千克成本为135美元。大概有35%的废料,剪掉的部分有些再也无法使用。此外,这种碳纤维是用高强度树脂浸渍的,非常麻烦。


相比之下,不锈钢最大的优点是足够便宜,而且生产速度很快,尽管它显然不是最轻的材料。但实际上,这已经是我们能找到的最轻适用材料。在不是特别低的温度下,高质量不锈钢的性能和强度提高了50%。大多数钢在低温下会变得很脆,比如典型的碳钢,当你向上喷洒液氮并用锤子击打时,它会像玻璃那样粉碎。


大多数钢材都是这样,但铬镍含量较高的不锈钢却不会这样。实际上它们的强度反而有所增加,延展性仍然很高。所以即使在零下165摄氏度条件下,延展性依然良好,非常坚韧,且没有断裂的问题。断裂韧性是一种性质,如果某个物体有个小裂缝,材料是倾向于阻止裂缝还是扩大裂缝?当你经历多次振动应力循环时,材料中的一个小缺陷会放大多少?


不锈钢是Atlas项目早期使用的材料。早期的Atlas就是个钢制气球罐,其缺陷在与这种材料太薄,在自身重量的作用下会坍塌。这是个钢铁气球,它几乎站不起来,反而会像有弹性的城堡一样倒塌,甚至不能承受非常小的有效载荷。早期的Atlas在发射台上崩溃并造成灾难的案例有很多。


钢铁的另一个好处:它的熔点很高,比铝高得多。虽然碳纤维也不会融化,但树脂在特定温度下会遭到破坏。典型的铝或碳纤维,在稳定的工作条件下,其能承受的温度在149摄氏度左右。你可以利用它们做些短途太空旅行,偶尔可承受176摄氏度的温度。但是到达204摄氏度时,可能就超越极限了。有些碳纤维可以承受204摄氏度的高温,但是强度会降低。而钢铁可以承受的温度高达815-871摄氏度之间。


马斯克还提到,他们拥有非常棒的材料团队,不过一开始也只使用高质量的301系列不锈钢。在上升过程中,需要材料在低温下保持强度。进入大气层时,需要它能够承受住高温的考验。因此,挡热板的质量是由挡热瓦与空气之间的界面温度所决定的。无论它是机械的,还是粘合的,无论界面点是什么,都取决于挡热板的厚度。


举例来说,在“龙飞船”(Dragon)身上,挡热板的厚度实际上是由挡热板的热浸润作用决定的,热浸润作用会使挡热瓦粘结在壳体上。所以隔热瓦不会在下落的过程中失去。基本上,你也不会想把瓦片扔掉。


使用了不锈钢合金,可以轻松承受800多摄氏度的高温,界面温度上升了5倍。这意味着,对于钢结构来说,背壳的背风面不需要任何挡热板。而在迎风的一面,所要做的是安置可再生挡热板。双层不锈钢外壳(类似于不锈钢三明治),本质上只有两层,你只需要用特殊物质粘结它们。


在不锈钢三明治之间流动燃料或水,然后在外面有微小的孔,这实际上就是通过外面的微孔释放水或燃料。除非你靠近,否则你看不到这些微孔,但是你可以用蒸腾冷却的方法来冷却火箭的迎风面。所以整个东西看起来还是全铬的,就像我们面前的这个鸡尾酒调酒器。但是有一面是双层的,它有双重用途,那就是加固飞行器的结构,这样它就不会重蹈Atlas的命运。你有个双重功能的隔热结构。据我所知,这是以前从未有人提出过的。


这是个巨大的变化。


不锈钢在航空航天工业上的应用


航天航天工业上分为航空装备用不锈钢和航天设备用不锈钢。这期我们先看一下航空装备用不锈钢。


航空装备用不锈钢分为航空发动机系统和飞机结构件。


航空装备用不锈钢 


航空发动机系统


压缩机叶片、叶轮:1Cr16、5Ni4、5Mo3N;


加力燃烧室内套、喷口瓣:0Cr20Ni20、Co20Mo3W2NbN;


涡轮导向叶片、内外环、轴:A286;


燃烧室喷嘴:AISI 410;


压缩机定子及转子叶片:AISI 403;


涡轮发动机压气机盘、叶片:1Cr17Ni2、1Cr11Ni2W2MoV;


涡轮盘(纳米晶,200nm):A286(AISI 304及410);


高压压气机盘、转子、叶片:1Cr10Co6MoVNb;


低压压气机转子轴、机盒、燃烧室:1Cr12Ni3Mo2V;


冲压发动机:0Cr21Ni6Mn9N;


拉杆(420℃)、抗应力腐蚀结构钢:07Cr16Ni6;


散热器:1Cr19Ni11Si4TiAl;


壳体:1Cr25Ni5Ti;


发动机紧固件、装配件、零件:16-4PH、PH-13-8Mo;


中温不锈钢耐热齿轮、弹簧:05Cr15Ni6Mo0.8Cu1.5Nb;


高强耐热零件:0Cr21Ni6Mn9N;


涡轮机涡壳:20Cr15Mo1.5N0.4V;


柱塞泵弹簧、减压活门弹簧:13Cr18Ni8.5;


主轴:高N不锈钢Cronidur。


航空装备用不锈钢 


飞机结构件


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


蒙皮、蜂窝结构、桁架:0Cr14Ni8Mo2Al、0Cr13Ni8Mo2Al;


框架、大梁:1Cr16.5Ni4.5Mo3N;


《550℃燃料箱、密封容器、螺栓:08Cr15Ni5Mo3;


紧固件:1Cr13、2Cr13、0Cr13Ni8Mo2Al;


弹簧、齿轮、蒙皮、紧固件:3Cr13Mo、0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr15Ni5Cu3Nb;


机翼轨道、作动器:00Cr12Ni11Mo1Ti1.6;


压力容器、紧固件(抗氢脆性好):00Cr10Ni10Mo2AlTi;


航空燃料与液压控制系统:奥氏体铬镍不锈钢;


预研新型高强高韧耐蚀结构件:KIscc提高3倍,耐蚀性≥15-5PH高强不锈钢。


航天设备用不锈钢分为飞船、火箭发动机、飞行器、火箭结构件、资源节约型不锈钢。


弹射弹簧、指令舱内外蒙皮、火箭壳体弹射弹簧、火箭蒙皮、蜂窝结构、燃料箱、液氧瓶:0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al;


紧固件:A286;


登月舱传动装置齿轮、阀门:AISI 440;


宇宙飞船轴承与摩擦部件:145Cr14.5V2 (BG42);


登月舱天线和机械舱:0Cr14Ni8Mo2Al;


宇宙轨道飞行器流体管路:1Cr21Ni6Mn9N。


固体火箭助推器辅助动力装置的燃料分离阀门:Cr15.5Ni4.25Mo2.75N;


火箭、航天器轴承:33Cr16Mo1N;


大型火箭壳体:0Cr16Ni4Cu3Nb;


薄璧压力客器(发烟硝酸):AISI 410;


液体发动机:00Cr15Ni6Nb、1Cr21Ni5Ti、1Cr17Ni7、00Cr14Ni11、00Cr10Ni10等;


姿态控制发动机电磁阀:02Cr18Ni0.5Ti0.4RE;


瞬间高温弹簧:00Cr13Ni8Mo2TiNbAl、00Cr12Ni8Cu2AlNb;


火焰简、尾喷管:1Cr21Ni6Mn9N;


预研纳米晶(200nm)涡轮盘:AISI 304、410;


火箭低温高压容器:00Cr11Ni10Mo2TiAl、00Cr14Ni16Mo2NbAl。


土星5号厚壁压力客器、垫片、密封垫、弹簧:ICr16.5Ni4.5Mo3N;


远程导弹、探空火箭机身结构:ICr17Ni7;


运载火箭二次火箭筒体:ICr13;


高压耐蚀气瓶:0Cr17Ni7MoAl;


高速飞行器、火箭轴承、摩擦件:145Cr14.5V2 (BG42);


火箭发动机外壳:ICr25Ni5Ti;


航天飞机燃料泵:x30CrMoN15-1;


陀罗仪防振台架、控制盘等:防振不锈钢;


新型结构件(高强、高初、耐蚀):2000MPa级Ferium S53(21Cr10Co14Ni5.5Mo2W1V0.3);


注射成形转子:17-4PH。


对于较短时间使用且难以回收部件:08Cr12Mn5Ni4Mo2Al(部分代0Cr15Ni7Mo2Al)及0Cr17Ni4Mn3Al(部分代0Cr17Ni7Al)。

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