熔了菜刀做火箭,星艦外殼是不鏽鋼,馬斯克是為了節省還是亂來?

李將平老師 發佈 2024-01-04T01:57:58.815234+00:00

馬斯克的火箭「星艦」爆炸了,第一次因為泄露發射推遲,第二次直接爆炸,33個發動機綁在一起,這種做法非常的大膽,畢竟出問題的機率實在是太高了。

馬斯克的火箭「星艦」爆炸了,第一次因為泄露發射推遲,第二次直接爆炸,33個發動機綁在一起,這種做法非常的大膽,畢竟出問題的機率實在是太高了。

但更大膽的是火箭的材料上,直接用不鏽鋼做火箭的箭體,這想法簡直是沒誰了,畢竟不鏽鋼不就是那種我們日常生活中經常見到的金屬材料,比如水龍頭、餐具、廚具等等嗎?現在你告訴我菜刀熔化了能夠做火箭上天,到底靠不靠譜?馬斯克用的到底是哪種不鏽鋼?用不鏽鋼,馬斯克到底是為了節約還是亂來?不鏽鋼外殼真的可行嗎?

馬斯克為什麼要用不鏽鋼做火箭?

1、它便宜,便宜到忽略成本:馬斯克的想法是用這個火箭來回的運送貨物和人到月球和火星去,那這種模式就帶來了一個非常關鍵的問題:成本控制。畢竟現在人類的火箭發射一次的成本是非常地高的,每1千克的物品帶上地球軌道所需要的成本能夠嚇死人,同樣是馬斯克的獵鷹九號,它替其它國家或者公司發射衛星,開出的價碼是200公斤內100萬美元,超過的部分按照每公斤5千美元進行收費。

要想把這種技術普遍下來,變成普通人也可以飛上太空,那麼就必須把它的成本大大地降低,所以馬斯克就從火箭的材料上開始想辦法了,目標就是把它的成本給降低,能多低就多低,那還有什麼比不鏽鋼更便宜的可以用在火箭上的材料嗎?大概是沒了。

根據官方公布的數據:相比於其他常用的火箭材料,比如碳纖維複合材料或者鋁合金,不鏽鋼的成本要低得多。據說市場價每公斤碳纖維複合材料約為130美元,並且有35%的報廢率,而不鏽鋼則只有3美元。這對於SpaceX這樣一個追求低成本、高效率、快速疊代的公司來說,非常重要。從130到3美元,這種成本變化是什麼概念?幾乎就相當於現在的成本可以忽略不計了。

如果不鏽鋼的材料真的可以做火箭的箭體的話,那成本確實可以降低幾十倍。所以如果馬斯克的目標是為了實現廉價的火箭升空的話,那麼就從一開始就必須使用這一類的材料,無論後面有什麼問題,因為一旦它更換成現在常見的火箭材料,那就算火箭成功了也達不到他的目的。

2、不鏽鋼耐高溫的能力更強。火箭在發射和再入大氣層時,都會遇到極高的溫度和壓力。碳纖維複合材料雖然輕而強,但是在高溫下會失去強度甚至被破壞,需要額外加上隔熱層保護。鋁合金雖然也能承受一定溫度,但是比起鋼來說還是差了很多。

而根據公開數據看,馬斯克用的這種特別的不鏽鋼則有著非常高的熔點和抗氧化能力,在1500攝氏度以下都不會變形,這意味著可以省掉外面的保護層了,要知道這層用不了多久的保護層本身會增加火箭很多的重量,降低載貨量,同時成本也是非常高昂了,這一去掉,成本降了,載貨量提升了,妥妥的贏麻了。但從目前的材料情況看,馬斯克這個說法真實性有待考證,畢竟1500度還不變形,這太不不鏽鋼了!

3、不鏽鋼耐低溫性更強。火箭在太空中,也會遇到極低的溫度。大多數鋼在溫度極低的時候,非常容易斷裂,但對於鉻鎳含量高的不鏽鋼卻並非如此。鉻鎳會增加了不鏽鋼的強度,並提高其延展性。所以,即使在零下330華氏度,這種不鏽鋼會有12%到18%的延展性,非常有韌性,堅固,沒有碎裂問題。甚至一些不鏽鋼的在低溫下其強度會提高,這對於火箭的穩定性也非常強大的作用。

4、不鏽鋼易於製造和維修。碳纖維複合材料雖然輕而強,但是製造起來非常複雜和昂貴,需要專業的設備和工藝,而且一旦損壞就很難修復。鋁合金雖然也比較容易加工,但是也需要一定的技術和設備,而且容易被氧化或腐蝕。

而不鏽鋼則可以用簡單的焊接和切割工具就可以製造和修理,而且不需要特殊的塗層或保護措施。這對於SpaceX這樣一個追求快速疊代和重複使用的公司來說,非常方便。這也是為什麼這一次火箭失敗了以後,馬斯克說幾個月後可能就能夠再次發射的原因,因為它的火箭製造的難度相對而言低得多,而且成本也低得多,自然可以快速地製造新的火箭出來。

為什麼大家不用不鏽鋼?

當然,如果這種材料真的這麼好的話,全世界科學家又不是傻子,為什麼不用呢?那是因為相對於上面的好處而言,不鏽鋼的問題更多,甚至很多是完全沒有辦法解決的。如果能成功自然這些都是優點,但前提是要能成功。

第一:不鏽鋼太重了。這是不鏽鋼最大的問題,也是許多人對SpaceX選擇它感到困惑的原因。火箭越重,就需要越大的推力才能升空,就需要越多的燃料和發動機,就會增加成本和風險。據說SpaceX用不鏽鋼製造的星艦原型重200噸,如果用碳纖維複合材料製造,粗略估算會減到40噸。馬斯克要做廉價的航天,但現在問題是雖然製造成本上去了,但是運輸成本上升了,這一來一去,到底是賺了還是虧了?這真的不好說。

另外一個壞處,那就是不鏽鋼易於變形。雖然不鏽鋼有著高熔點和抗氧化能力,在高溫下不會變形或損壞,但是在正常溫度下,它卻比較容易變形或凹陷。這可能會影響火箭的外形和氣動性能,甚至導致結構失效或漏氣。所以在火箭發射過程中,甚至可能因為氣流的巨大變化和阻力就造成火箭表面的形變,擠壓內部的零件和造成火箭氣動平衡被破壞,這增加了非常大的風險。

困難這麼多,馬斯克打算怎麼解決?

根據馬斯克和SpaceX的一些公開信息,似乎它們使用了三種辦法來解決不鏽鋼的不足之處,當然到底是不是,只有馬斯克本人和公司技術人員才知道。

第一:從材料上進行改進。生活中的不鏽鋼都有很多種,那是因為添加了不同的元素,所以有不同的性質,所以SpaceX的第一步就是在配方上想辦法,根據他們所說,他們使用了一種特殊的不鏽鋼合金,叫做30X。這種合金是SpaceX自己研發的,它在不鏽鋼的基礎上添加了一些其他元素,比如鎳、鉻、鉬、鈦等,以提高其強度、韌性、耐熱性和耐腐蝕性。之前就用在了發布的皮卡上面。據說30X合金的性能比普通不鏽鋼高出一倍以上,甚至可以和碳纖維複合材料相媲美,而且成本仍然很低。當然這個說法未必可靠。

第二:SpaceX使用了新技術來降低火箭外殼的重量和溫度。這種技術是指在火箭外殼的內部,設置一層薄薄的液態甲烷或液態氧,讓它們在火箭升空或再入時,通過管道流動,帶走外殼表面的熱量,同時也為發動機提供燃料。這樣既可以減少隔熱層的重量,又可以提高火箭外殼的強度和耐熱性。

第三:SpaceX在火箭裡面加了支撐杆,來防止火箭外殼變形或凹陷。這種技術是指在火箭外殼的內部,設置一些可以伸縮的金屬杆或柱子,讓它們在火箭升空或再入時,根據外部壓力的變化,自動調節火箭外殼的形狀和彎曲度,保持其平整和穩定。這樣既可以避免火箭外殼因為溫差或衝擊而變形或損壞,又可以提高火箭的氣動性能和安全性。

為什麼用不鏽鋼,因為只能用它

最後,我們來回答一個最關鍵的問題:SpaceX為什麼選擇不鏽鋼而不是其他材料?畢竟其他航天公司都沒有用過不鏽鋼做火箭外殼,這到底是一個天才的創新還是一個瘋子的妄想?

其實SpaceX選擇不鏽鋼是為了實現火箭的重複使用和快速疊代。SpaceX的願景是讓人類登上火星,並在那裡建立殖民地。為了實現這個願景,SpaceX需要一種可以多次往返地球和火星的火箭,而且可以在短時間內進行維修和改進。不鏽鋼正好符合這些要求,它既耐用又便宜,既易於製造又易於修理,既可以承受高溫又可以承受低溫,而且還可以利用火星上的資源進行再生或製造。

用不鏽鋼做火箭的箭體,是非常大膽的想法,從這兩次的情況看,效果並不是很好。但這也是馬斯克為數不多的選擇了,因為它只能這麼幹,畢竟它的目標是廉價的航天,所以一開始就要把成本壓到最低,否則即便最後成功了,那也沒有什麼意義。大家覺得馬斯克的這種想法如何?

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