图 | 加压测试

以不锈钢颠覆航天材料

（来源：淘宝）

把工业器件送上太空

（来源：SpaceX）

远期目标：火星

 

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”。

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）。