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SpaceX——为何青睐不锈钢材料?

发布时间:2020-04-26

来源:本站

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2020年4月18日,美国国家航空航天局(NASA)官网正式宣布,美东时间5月27日16:32(北京时间5月28日4:32),全新的猎鹰9号B5火箭(编号B1058.1)将在美国佛州肯尼迪航天中心39A发射位启航,完成SpaceX DM-2 龙飞船的首次载人试飞任务。此次的载人飞船为全新载人版龙飞船(编号C206),搭载的两名宇航员是NASA资深宇航员罗伯特·本肯和道格·赫尔利。
龙飞船是一艘完全自动驾驶的宇宙飞船,可以实现全程自动化飞行控制,全自动对接空间站,全自动应急处理各项预案等,也可以切换到人工操控,同时同步受SpaceX总部飞行控制中心监控。
自2011年航天飞机退役以来,美国运送宇航员往返空间站全部借助俄罗斯飞船。NASA这次将借助SpaceX,重新实现从美国本土运送宇航员飞向国际空间站。今年1月,SpaceX成功完成了载人龙飞船(Crew Dragon)的逃生系统测试,这也是SpaceX正式实现载人前的最后一个大的测试。
本次发射意义重大,这是继2011年美国航天飞机退役后,在美国本土的首次载人航天任务,即将开启美国乃至全球商业载人航天新时代。
从发射首艘测试版龙飞船到首次载人发射龙飞船,SpaceX十年磨一剑,开创私营太空公司载人航天新高度。


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接下来,我们来了解一下SpaceX。
2000年代初,在得知NASA并没有载人火星计划后,埃隆·马斯克(Elon Musk)大吃一惊,之后,埃隆·马斯克创立了太空探索技术公司(SpaceX),公司的目标是建立商业化太空发射。
几年之后,SpaceX完成了私人研制火箭的设计、建造和测试。猎鹰1号火箭在第四次发射时获得成功,SpaceX也籍此从NASA获得了一份大合同,为国际空间站(International Space Station)补充给养,这也为SpaceX快速开发新型运载火箭提供了重要的资金来源。
迄今为止,SpaceX在太空飞行领域取得了诸多引人注目的众多杰出成就,包括了轨道级火箭的成功再回收及再利用,建造目前世界上最强大的“猎鹰重型”(Falcon Heavy)火箭。尤其值得一提的是,埃隆·马斯克(Elon Musk)做出的采用不锈钢材料的大胆决策,也为延续这一成功势头埋下了伏笔。
在SpaceX进行太空飞行探索的最初几年,不锈钢材料基本被排除在外,现在,它已被遴选为SpaceX的“星舰”(Starship)及其“超级重型”(Super Heavy)火箭的结构材料。
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“星舰”项目SpaceX的“星舰”飞船和“超级重型”火箭是一种可重复使用的运载系统,它的目标是把宇航员和货物运送到地球轨道、月球、火星及更远的地方。“星舰”飞船系统将成为人类历史上最强大的运载火箭系统,能将超过100吨的卫星系统送到地球轨道。
“星舰”飞船的直径为9m,高度50m,推进剂能力为1200吨,有效负载在100吨以上。
超级重型”火箭的直径9m,高度68m,推进剂能力为3300吨,推力为72 MN。总起飞质量超过3000吨,使用过冷的液态甲烷和液态氧(CH4/LOX)作为推进剂。“超级重型”火箭通过其6只“大长腿”在回收点着陆。
“星舰”飞船和“超级重型”火箭均采用猛禽(Raptor)引擎,这是一种全流量,分级燃烧的火箭发动机,推进剂为低温甲烷和液氧,而不是SpaceX先前在Merlin发动机系列中使用的RP-1煤油和LOX。“超级重型”火箭由37个猛禽引擎提供动力,而“星舰”由6个猛禽引擎提供动力。
“星舰”飞船和“超级重型”火箭的任务范围远超猎鹰9号,以满足对星际载人飞行任务的特殊需求。“星舰”飞船和“超级重型”火箭将取代猎鹰9号(Falcon 9)和猎鹰重型(Falcon Heavy)运载火箭。 


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为什么选择不锈钢?近几十年来,航空航天工业中最常使用的结构材料是铝合金和碳纤维增强聚合物(CFRP),不锈钢因其密度较高而倍受冷落。在上周的文章中,我们已经了解到材料密度(或者说火箭结构材料的比强度)的重要性:火箭结构材料本身的质量越低,意味着在给定的燃料量下,送达到太空轨道的有效载荷量越多。
不同材料和材料类别的强度与密度
如果只考虑比强度的话,与CFRP和铝合金相比,不锈钢确实不是最佳选择。但是,考虑到太空飞行所面临的极端环境条件,例如火箭在升太和重返大气层期间,温差极大,因此,材料的导热率对于运载火箭有着重大影响。
以燃料箱为例,猎鹰9号配备了铝锂合金燃料箱,采用搅拌摩擦焊工艺制造,基本可以满足常规的发射任务。由于燃料箱的壁厚仅几个毫米,要将大约66 K温度的燃料与大约293 K的环境温度隔开,必须使用泡沫保温材料,而燃料箱的保温泡沫材料势必会增加相当大的额外质量。
考虑到“星舰”飞船和“超级重型”火箭的特殊需求,常规火箭燃料箱的设计有它难以克服的短板。“星舰”和“超级重型”火箭在燃料箱的设计中,摒弃了猎鹰9号使用的铝锂合金材料,用不锈钢材料进行替代。这是因为,铝锂合金材料的导热系数,大约是301不锈钢的4倍。显然,低的导热率有利于防止热量从周围环境快速传导到低温燃料,因此,不锈钢材料的使用,大大减轻了对隔热材料的需求,并扩大了火箭注入燃料和实际发射之间的时间窗口。
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工作温度是决定因素迄今为止,航天材料的选择,主要取决于火箭发射前和发射中的工作条件。除了要考虑传统火箭所面临的低温燃料和巨大力学载荷,可回收使用的航天器所面临的条件更加严苛。“星舰”飞船项目的设计目标是能够完成1次火星地球之间的星际往返。
早期的火星探测任务已经证实,飞行器进入火星大气层的速度约为21000 km/ h(17倍音速)。为了最大程度地减少执行任务所需的燃料,在进行最终着陆的制动点火之前,飞行器会利用火星大气阻力来降低飞行速度。但是,火星大气层的密度仅为地球大气层的1%,能提供的大气阻力很小。因此,一个具有非常高攻角的航天器,需要尽可能利用大的表面积进行高超音速制动操纵。
航天器高速进入火星大气层时,航天器面风侧的温度可高达2000K。此时,即使是最好的CFPR材料,树脂分解温度也在480K以下。与此同时,随着温度升高,复合材料的强度会迅速下降,最终会导致结构性破坏。如果要使CFPR的温度保持在其正常工作范围内,必须使用大量的隔热层,而这是让设计师们难以接受的,也是促使SpaceX选择不锈钢材料的内在动力之一。
使用不锈钢材料,可以把工作温度范围扩展到约1100K。这就意味着对隔热要求的大大降低。此外,埃隆·马斯克(Elon Musk)提出了将燃料箱结构和隔热板等多个组件集成为一体的想法,这也使不锈钢材料成为此类特定应用的理想材料。

不同材料和材料类别的强度与最高使用温度的关系
从上图可以看出,只有工业陶瓷和钨合金的工作温度高于不锈钢。而钨合金密度太高,而工业陶瓷通常具有严重的脆性,容易开裂或破裂,这种材料用在循环机械负载的应用中会变得十分危险。因为只需要发生微小的应变。这些陶瓷材料就会发生断裂。
而不锈钢材料具有无可比拟的先天优势,特别是在高温下,可以通过塑性变形来消除机械应力,并且在断裂之前可以承受多次应力循环。
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主动冷却方案即使是埃隆·马斯克(Elon Musk)提出的不锈钢材料,也无法承受再入地球大气层时的极端温度。因此,SpaceX正在考虑通过注水或注液态甲烷的主动冷却方案,使不锈钢材料保持在正常工作温度之内。
具体来说,冷却液将被泵入飞行器迎风面的两块钢板之间,通过小孔到达表面。这样,液体蒸发可吸收大量热量,从而取得一个显著的航天器整体冷却效果。蒸发的冷却剂随大气层的气流一起流失。
这种主动散热的概念优于被动隔热方案,这样,在第二次发射和再入大气层前,只需要相应补充足够的水和甲烷,不需要额外的维护或翻新了,而这在火星上也是可能实现的。
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成本的考量从历史上看,航空航天工程的要求非常苛刻,以至于成本通常是设计标准中最低优先级之一。无论材料多么稀有,制造起来多么困难,价格多么昂贵,只要能够完成预定使命,就很可能会选择它。但是,随着太空商业化的发展以及每年发射次数的急剧增加,这一切注定将成为历史。
早期设计中使用的CFRP的原材料成本约为每公斤135美元。此外,从原材料制造成零件的机械加工会产生约35%的报废率,因此最终零件的实际材料成本约为每公斤200美元。相比之下,不锈钢的价格仅为每公斤3美元,因此,采用不锈钢材料,可把成本降低近两个数量级。
尽管将1kg有效载荷发射到太空的成本远远超过运载火箭结构材料的成本,但如果用不锈钢替代CFRP能大大降低成本,何乐而不为呢?毕竟,SpaceX打算建造一支由星舰和超级重型组合而成的舰队,目标是服务于多个市场,而不仅仅是去开拓火星殖民地。
在把航天工程推向极限的过程中,SpaceX选择了一些验证过的概念,并对其进行了修改,使其更易于翻新或更便宜,同时保持了类似的功能。例如,在运载火箭和卫星设计中非常普遍等网格(Isogrid)结构

Arcam EBM-增材制造的Isogrid锥形截头圆锥形发动机机壳

等网格结构可提高材料的强度重量比,从而增加抗塌陷的能力。塌陷是早期火箭设计的一个主要问题,如阿特拉斯火箭(Atlas),由于其燃料箱壁极薄,它曾在自重作用下坍塌。等网格结构是一种工字梁式的相互交织模式,它的作用是增加整体结构的刚度,并减少所需的材料量。
但是,等网格结构的制造成本极其昂贵。制造这种结构的常用方法是从一块厚金属开始,然后用计算机数控机床将其加工出来。这种加工技术导致的材料浪费率高达到95%。由于这个原因,SpaceX没有使用典型的等网格结构,而是采用搅拌焊接工艺的加强桁条,获得了类似的效果。

Octaweb结构为猎鹰9号火箭的9个Merlin引擎提供了基础
另一个令人印象深刻的设计是Octaweb结构。它是承受机械载荷的主要结构,位于猎鹰9号火箭的底部。这种结构载有9个引擎的阵列,通过提供一个保护空间来保护每个引擎不受其他引擎的影响。Octaweb是由高强度铝7000系列材料制成的,并采用螺栓固定。与以前的焊接结构相比,这使得火箭的翻新变得容易且快速。
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吉利也要造火箭? 2020年3月3日,吉利控股集团宣布,吉利全面布局商业卫星领域,预计年内发射两颗低轨卫星。据悉,由浙江时空道宇科技有限公司自主设计完成的首发两颗低轨卫星目前已通过各项鉴定试验与测试,预计将于2020年内完成发射,而发射这两颗卫星的火箭是外购的。
4月17日晚,吉利汽车集团副总裁杨学良证实了“吉利科技集团下属公司浙江时空道宇科技有限公司(下称时空道宇)招聘火箭总工程师”的消息,同时还在其微博表示“招火箭总师,欢迎报名。” 
根据公开的招聘信息,本次时空道宇计划招纳的贤才涵盖火箭制造相关各个环节,包括火箭总师、制导设计工程师、动力工程师、火箭结构工程师、火箭总工艺师等在内共计四十余个岗位名额,同时薪酬待遇也比较高。
据吉利集团官方消息,吉利于2018年战略投资航天科技公司时空道宇,开始布局天地一体化出行生态。
根据时空道宇的一则公开招聘介绍,该公司是吉利科技集团的一级新兴战略子公司,团队核心技术成员均来自于国家航天体系内,拥有多年卫星研发经验。公司主要负责全球通信及导航星座系统的组建与运维,支撑吉利与戴姆勒未来出行的通信需求,同时为各类行业用户提供卫星通信和导航一体化的解决方案,布局成为以自有卫星为核心的天地一体化物联应用解决方案服务商。

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