【原创文章】不要铝,要钢!

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“深空之门”环月空间站(现更名为LOP-G)作为NASA未来10年乃至20年的旗舰级深空载人任务,近期其蓝图正愈加清晰,是一个有着几百亿美元价值的巨大蛋糕,波音、洛·马等各大传统航天承包商都蠢蠢欲动,意欲分而食之。但SpaceX作为风头最劲的航天创企,LOP-G中却似乎并无份额,公司在德州的荒滩和试车场上兴建自己的”钢铁“BFR,试车新版猛禽发动机,继续着自己的”火星梦“。

本文作者:Saturn V

不要铝,要钢!

如果你最近有上网或者刷朋友圈,想必都看到过SpaceX造的奇葩的宇宙飞船原型机。这个外观上和任何火箭宇宙飞船都不像,比SpaceX招牌的猎鹰9还要粗的怪物,更像是从丁丁历险记漫画里出来的科幻产物。不过比外观设计更引人注意的是,该原型机是由不锈钢建造的,一种现代人绝不会和航空航天领域相关联的材料。那么一贯以科技创新著称的SpaceX,为啥会使用钢来打造号称要殖民火星的宇宙飞船呢?要解答这个问题,不如先考虑下为什么航空航天领域中很少见到钢

不要铝,要钢!

事实上铝和碳纤维复合材料并非从一开始就统治着航空航天领域,苏联曾经在追求高空高速性能的米格-25截击机上大量使用不锈钢,美国则在更夸张3.2马赫巡航的SR-71上使用昂贵的钛合金。由于材料技术的不足,早期火箭的贮箱大都采用不锈钢制造,而为减轻不锈钢带来的重量贮箱壁仅有几毫米厚,更像是金属气球。就像可乐罐捏不动但空可乐罐一捏就瘪一样,超薄不锈钢贮箱的弊端在于火箭需要时刻为箱内加压以维持结构强度,不然火箭上层的自身重量就足以压垮贮箱。1963年5月11日,一枚宇宙神-阿金纳D火箭(Atlas-Agena)在测试时,由于液氧输送系统的故障,发射人员抽出了液氧导致贮箱被火箭自身重量压垮,火箭上层直接倒在了发射台上

随着材料技术的发展,铝合金逐渐取代不锈钢,不过并不是因为铝的强度比钢高,而是铝的密度比钢低。换句话说相同重量下铝的体积更大更足以来维持结构强度,铝打败钢正是因为更高的密度/强度比例。

不要铝,要钢!

可以看到在指数比例图上,合金钢(High Alloy Steels)的强度是高强度铝(Aluminium)的1.5-2倍,但其密度至少是铝的2.5-3倍以上。采用铝合金建造的贮箱可以更厚,不仅不再需要加压来维持结构强度,还可以做的更大装更多推进剂。猎鹰9火箭的RP-1贮箱和液氧贮箱都采用2198铝锂合金制造,既然如此为何还要使用不锈钢贮箱增加额外重量?这还要涉及金属合金一项常人不太熟知的指标——热导率。

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热导率,简而言之便是材料直接传导热能的能力。举例而言触摸同一温度的金属和木头,会觉得金属要比木头冷很多,这是因为人类感知的是热量离开皮肤的速度而非真的温度。金属有着远高于木头的热导率,导致皮肤的热量更快流失进而给大脑判断产生更冷的错觉。

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可以看到铝(Aluminum)的热导率是不锈钢(AISI-304)的30倍,哪怕在高温情况下也足足有8倍之多。这就直接导致和不锈钢贮箱相比,铝合金贮箱会更快地把外界的热量传导给推进剂导致推进剂蒸发。更糟糕的是随着温度降低铝的导热率会升高,也就是液氢液氧等低温推进剂会进一步加快铝合金的导热能力,加速推进剂蒸发

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航天飞机贮箱隔热泡沫塑料材料

现代火箭为解决低温推进剂过度蒸发问题,除了设置排气口并保持持续添加的通用方式外,大致分两种解决手段。第一种便是以航天飞机为代表的贮箱隔热设计,那个显眼的橙罐(External Tank)之所以是橙色便是因为隔热泡沫塑料材料是橙色。前两次航天飞机发射STS-1和STS-2更把橙罐外面刷上了一层白漆,以反射长时间阳光下停放时紫外线辐射带来的热量,后续发射则因刷漆时间过长且增加重量而放弃。泡沫塑料的额外重量一定程度上抵消了使用铝合金省下来的重量,但可以让航天员在推进剂加注完毕后再进入飞船,确保安全

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STS-1亮眼的白色贮箱

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同样采用铝合金贮箱的猎鹰9火箭则完全没有任何隔热装置,为避免超低温的RP-1和液氧过度蒸发,猎鹰9整体采用白色涂装且尽可能晚的填充推进剂。猎鹰9火箭的第一级最晚在发射前5分20秒才填满推进剂,与之相比航天飞机的贮箱在发射前6小时就已经填满推进剂。猎鹰9的设计虽然节省下隔热材料大量重量,但也导致推进剂加注只能在航天员进入飞船后执行,这种“加注-发射”(Load-Go)的方式带来的安全风险也是拖延NASA下发猎鹰9载人许可的原因之一。好在SpaceX通过载人龙飞船的发射台逃生测试,诸多安全措施和安全设计,最终在2018年5月18日获得了载人许可。

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2018年12月3日的SSO-A任务发射时序,发射前38分钟才开始加注推进剂

显然不管是隔热泡沫还是“加注-发射”的方式都无法在BFR这个庞然大物上使用,巨大的贮箱意味着需要非常多的隔热材料增加重量,但也不能让航天员进入飞船后再等上10个小时填充推进剂,那么唯一的办法便是放弃铝合金贮箱。之前SpaceX曾尝试使用碳纤维制作贮箱,但估计是碳纤维的制造难度和造价都过高(马斯克接受访谈时曾表示,考虑35%的废料率,碳纤维每千克成本200美元,而不锈钢则是3美元,主页君注),外加上BFR贮箱的体积导致现阶段无法一体化生产,该方案最终被抛弃,转了一圈后又绕回了早期火箭设计师们使用的不锈钢。

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常用金属最高强度和最高工作温度

除了热导率,钢在耐热及工作温度上也要优于铝。美国和苏联的超高速侦查/截击机无法使用铝合金的原因之一便是高速飞行时的温度已经超过了铝合金的最高工作温度,铝制机身会变软失去强度。高速巡航的SR-71更只能使用钛合金来制作机身,其3.2马赫飞行时机身最高温度(565°C)甚至超过了不锈钢的最高工作温度(约300°C)。

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SR-71在3.2马赫巡航时机身不同部位温度(华氏度)

对于BFR这个要往返于地球和火星,接受地球和火星大气摩擦的宇宙飞船来说,虽然隔热设计依然必不可少,但一个更耐热的船身可以省去部分隔热装置的重量,这也是BFR最终选择不锈钢/合金钢而非铝合金的原因之一。这方面的反例可以参考航天飞机的轨道器,为保护不耐热的铝合金机身,轨道器使用了大量造价昂贵且需要频繁更换的隔热瓦,直接导致了发射价格飙涨。

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再入时损坏的隔热瓦

值得一提的是尽管在一些气动控制翼面和船身前缘处BFR依然会使用传统的被动式隔热材料,非常有可能是龙飞船上已经在使用的PICA-X(也可能是TUFROC,即增韧型单片纤维增强抗氧化复合材料,主页君注),但BFR飞船整体的隔热降温将采用已经在液体火箭发动机上部分应用的主动式蒸腾冷却,也可叫做发汗式冷却(Transpiration cooling)。这是一种类似人体降温的冷却方式,和用隔热材料自身被动烧蚀吸收热量降温不同,蒸腾冷却用冷却剂主动吸收热量降温。就像人的皮肤通过发汗让汗液蒸发吸热降温一样,BFR也将“发”冷水或低温甲烷蒸发吸热来为船身降温。外加上不锈钢的工作温度天然高于铝合金,BFR的主动降温装置也不需要降温到铝合金的工作温度,彻底省去隔热材料的重量。

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蒸腾冷却概念示意图

更为关键的是BFR的隔热设计还必须要考虑到火星较差的维修环境和匮乏的维修原材料和维修设施,虽然PICA-X在性能和重复使用上已远优于之前的隔热材料,但依然需要维护且若进入火星大气时受损还需重新制作。火星没有制作PICA-X的油和石墨,但已确认有冰且非常有可能有地下液态水,水和火星大气中饱含的二氧化碳进行简单的萨巴捷反应便可生产甲烷。采用主动式蒸腾冷却的BFR只需携带少量碳纤维原材料,用来就地取材制作返程推进剂的装置便可同时兼职生产冷却剂,腾出重量给其他载荷。

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2020火星车计划搭载的MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)便是测试火星就地取氧的装置

可以说不锈钢/合金钢是现阶段技术能满足BFR诸多目标和经济要求的最佳也是唯一的材料。不过得克萨斯州这个亮闪闪的,都能被风吹倒的银色原型机只是BFR的第一步,并不具备进入太空的能力且仅仅是为了给SpaceX测试BFR的悬停降落功能和编写飞控软件,BFR的建造试飞之路依然漫长。

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原型机的上半部分被风吹倒后一直就这么生无可恋的“瘫”在地上

重型猎鹰火箭这个马斯克在2011年4月正式对外画的大饼,整整花费了7年才圆了回来,2019年画的不锈钢BFR大饼,又需要多少年圆回来呢?

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那些年老马画过的饼(摄于2011年)

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老马花了7年烙好的饼(摄于2018年2月)

(全文完)

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