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碳纤维竟然不敌不锈钢,航天领域减重需求如此迫切,马斯克的星舰为什么还是弃用了碳纤维

2023-04-24 16:0213490
 01星舰的研发历程

2016年,马斯克向世人展示了一艘人类历史上最大的宇宙飞船,他给这艘飞船起了个极为科幻的名字Starship(星舰)。星舰高度为120米,起飞质量为5,000吨,是有史以来最大、最强大的运载火箭,也是第一个完全可重复使用的运载火箭。

星舰运载火箭由第一级Super Heavy助推器和第二级Starship航天器组成。两个阶段都由猛禽火箭发动机提供动力,该发动机在高度复杂但高效的全流量分级燃烧动力循环中燃烧液态氧和液态甲烷推进剂。两个火箭级都设计为可重复使用,在发射塔上进行受控着陆并在数小时内重新飞行。

星舰计划在完全可重复使用的配置下拥有150吨到低地球轨道的有效载荷能力,并且在展开时具有250吨的有效载荷能力。低地球轨道上的星际飞船运载工具可以重新装满在其他油轮星际飞船上发射的推进剂,以便能够运送到地球同步轨道、月球和火星等更高能量的目的地。

最初SpaceX打算用最先进的碳纤维材料来打造这艘未来飞船,因为其具有极为优异的比强度和比刚度。为此,Space X建造了一个全尺寸、直径为12米的碳纤维复合液氧罐。

 

 

2018年9月展示了火箭的第一个也是唯一一个全尺寸复合材料原型,火箭大型环状复合结构。

 

2019年1月,马斯克宣布星舰将由碳纤维复合材料换成不锈钢。

马斯克解释说,尽管重量较重,但不锈钢在低温和高温环境下都具有出色的强度,同时比碳复合材料便宜得多,而且更易加工

至此,星舰的复合材料工厂惨遭废弃,彻底放弃复合材料。

 

 

02碳纤维高昂的成本、复杂的制造工艺以及较低的生产效率

马斯克作为精明的商人,首要考虑的是成本问题。

用碳纤维造火箭,每吨的成本超过13万美元,同时碳纤维材料有35%的损耗;同样用301不锈钢薄板只需要2500美元。成本相差50倍!

碳纤维制造工艺复杂,专业技术人员每小时工资要250美元,而焊接不锈钢板的普通焊工每小时工资不到50美元。同时,复合材料产品表面积和体积上有严格的公差要求,还要满足相应的无损检测要求。

 

碳纤维制造星舰壳体,需要一个直径12米、长度超过50米的巨大缠绕轴,同时后续的固化也需要更大的专用设备。这对于一心想省钱的马斯克来说是不可想象的。相比之下,用3毫米厚的不锈钢板焊接几乎不需要什么设备和投资,速度也快多了。

03碳纤维复合材料在极端温度下性能无法满足需求

星舰需要承受1500℃的高温以及零下几百度的低温,目前采用聚酰亚胺、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等高温树脂体系显然也无法满足高温要求。

复合材料宇宙飞船和助推器的暴露表面必须有绝热层。这会显著的增加成本、重量以及后续的维护。对于星舰而言,这将极具挑战性,因为航天器必须从根本上能够经受住无数次轨道速度再入,减少中间的翻新次数。
虽然钢制星舰的迎风半边仍需要适当的隔热罩,但由于不锈钢在更高的温度下仍能保持良好的结构,因此其钢制船体的另一半可能几乎完全没有隔热罩。

 

金属的低温脆性问题严重限制其在低温环境下的广泛应用。由于在低温环境下301系韧性不够易断裂的缺点并没有得到很好的解决,猎鹰9号当时使用的是铝合金2219,但是其成本仍然居高不下。

直到Dawson Shanahan公司的出现,解决了Space X团队对不锈钢低温性能的要求。

经过Dawson Shanahan公司的特殊冷成型工艺,在-200℃极低温环境中,不锈钢301屈服强度并没有下降,相比室温环境下反而有很大的提升。

 

04首次发射证明不锈钢的可行性

4月20,星舰迎来了首秀,由于猛禽发动机未全部点火,其在升空4分钟后完成受控爆炸解体。

在空中的几个跟头也有力证明了不锈钢星舰结构强度基本没有太大问题。

 

马斯克当时力排众议再一次成功了

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