圖 | 加壓測試

以不銹鋼顛覆航天材料

（來源：淘寶）

把工業器件送上太空

（來源：SpaceX）

遠期目標：火星

 

延伸閱讀

為何馬斯克選用不銹鋼造太空飛船？

據大眾機械雜志報道，埃隆·馬斯克（Elon Musk）不久前曾發推文，宣稱星際飛船（Starship）將由不銹鋼材料制造，而不使用碳纖維。據我們所知，這標志著自20世紀50年代后期Atlas項目的失敗嘗試以來，不銹鋼材料首次被用于航天器制造方面。

實際上，早在圣誕節前幾天，馬斯克就曾透露，將對星際飛船進行更多的調整。當時馬斯克宣稱，最先進的碳纖維構成了星際飛船的火箭（以前稱為BFR，或大獵鷹火箭）主體，其超重型火箭助推器（Super Heavy）將被300系列不銹鋼所取代。1月10日時，馬斯克在Twitter上發布了星際飛船測試版本的照片，稱這是一架可以用于亞軌道垂直起降測試飛行的原型，飛行高度接近5000米。他把這些測試成為“跳躍測試”。

自揭開星際飛船的神秘面紗以來，馬斯克通過Twitter簡短地回答了許多好奇太空觀察者提出的直接問題。但在宣布這一消息兩周前，馬斯克在加州霍桑的SpaceX總部接受了《大眾機械》主編瑞安·達戈斯蒂諾（Ryan D'agostino）的獨家采訪，非常詳細地討論了這些改變背后的想法。

馬斯克表示星際飛船和超重型火箭助推器的制造，換成了特殊的不銹鋼合金。當人們在追求一種先進的碳纖維結構，但進展非常緩慢，每千克成本為135美元。大概有35%的廢料，剪掉的部分有些再也無法使用。此外，這種碳纖維是用高強度樹脂浸漬的，非常麻煩。

相比之下，不銹鋼最大的優點是足夠便宜，而且生產速度很快，盡管它顯然不是最輕的材料。但實際上，這已經是我們能找到的最輕適用材料。在不是特別低的溫度下，高質量不銹鋼的性能和強度提高了50%。大多數鋼在低溫下會變得很脆，比如典型的碳鋼，當你向上噴灑液氮并用錘子擊打時，它會像玻璃那樣粉碎。

大多數鋼材都是這樣，但鉻鎳含量較高的不銹鋼卻不會這樣。實際上它們的強度反而有所增加，延展性仍然很高。所以即使在零下165攝氏度條件下，延展性依然良好，非常堅韌，且沒有斷裂的問題。斷裂韌性是一種性質，如果某個物體有個小裂縫，材料是傾向于阻止裂縫還是擴大裂縫？當你經歷多次振動應力循環時，材料中的一個小缺陷會放大多少？

不銹鋼是Atlas項目早期使用的材料。早期的Atlas就是個鋼制氣球罐，其缺陷在與這種材料太薄，在自身重量的作用下會坍塌。這是個鋼鐵氣球，它幾乎站不起來，反而會像有彈性的城堡一樣倒塌，甚至不能承受非常小的有效載荷。早期的Atlas在發射臺上崩潰并造成災難的案例有很多。

鋼鐵的另一個好處：它的熔點很高，比鋁高得多。雖然碳纖維也不會融化，但樹脂在特定溫度下會遭到破壞。典型的鋁或碳纖維，在穩定的工作條件下，其能承受的溫度在149攝氏度左右。你可以利用它們做些短途太空旅行，偶爾可承受176攝氏度的溫度。但是到達204攝氏度時，可能就超越極限了。有些碳纖維可以承受204攝氏度的高溫，但是強度會降低。而鋼鐵可以承受的溫度高達815-871攝氏度之間。

馬斯克還提到，他們擁有非常棒的材料團隊，不過一開始也只使用高質量的301系列不銹鋼。在上升過程中，需要材料在低溫下保持強度。進入大氣層時，需要它能夠承受住高溫的考驗。因此，擋熱板的質量是由擋熱瓦與空氣之間的界面溫度所決定的。無論它是機械的，還是粘合的，無論界面點是什么，都取決于擋熱板的厚度。

舉例來說，在“龍飛船”（Dragon）身上，擋熱板的厚度實際上是由擋熱板的熱浸潤作用決定的，熱浸潤作用會使擋熱瓦粘結在殼體上。所以隔熱瓦不會在下落的過程中失去。基本上，你也不會想把瓦片扔掉。

使用了不銹鋼合金，可以輕松承受800多攝氏度的高溫，界面溫度上升了5倍。這意味著，對于鋼結構來說，背殼的背風面不需要任何擋熱板。而在迎風的一面，所要做的是安置可再生擋熱板。雙層不銹鋼外殼（類似于不銹鋼三明治），本質上只有兩層，你只需要用特殊物質粘結它們。

在不銹鋼三明治之間流動燃料或水，然后在外面有微小的孔，這實際上就是通過外面的微孔釋放水或燃料。除非你靠近，否則你看不到這些微孔，但是你可以用蒸騰冷卻的方法來冷卻火箭的迎風面。所以整個東西看起來還是全鉻的，就像我們面前的這個雞尾酒調酒器。但是有一面是雙層的，它有雙重用途，那就是加固飛行器的結構，這樣它就不會重蹈Atlas的命運。你有個雙重功能的隔熱結構。據我所知，這是以前從未有人提出過的。

這是個巨大的變化。

不銹鋼在航空航天工業上的應用

航天航天工業上分為航空裝備用不銹鋼和航天設備用不銹鋼。這期我們先看一下航空裝備用不銹鋼。

航空裝備用不銹鋼分為航空發動機系統和飛機結構件。

航空裝備用不銹鋼    

航空發動機系統

壓縮機葉片、葉輪：1Cr16、5Ni4、5Mo3N；

加力燃燒室內套、噴口瓣：0Cr20Ni20、Co20Mo3W2NbN；

渦輪導向葉片、內外環、軸：A286；

燃燒室噴嘴：AISI 410；

壓縮機定子及轉子葉片：AISI 403；

渦輪發動機壓氣機盤、葉片：1Cr17Ni2、1Cr11Ni2W2MoV；

渦輪盤（納米晶，200nm）：A286（AISI 304及410）；

高壓壓氣機盤、轉子、葉片：1Cr10Co6MoVNb；

低壓壓氣機轉子軸、機盒、燃燒室：1Cr12Ni3Mo2V；

沖壓發動機：0Cr21Ni6Mn9N；

拉桿（420℃）、抗應力腐蝕結構鋼：07Cr16Ni6；

散熱器：1Cr19Ni11Si4TiAl；

殼體：1Cr25Ni5Ti；

發動機緊固件、裝配件、零件：16-4PH、PH-13-8Mo；

中溫不銹鋼耐熱齒輪、彈簧：05Cr15Ni6Mo0.8Cu1.5Nb；

高強耐熱零件：0Cr21Ni6Mn9N；

渦輪機渦殼：20Cr15Mo1.5N0.4V；

柱塞泵彈簧、減壓活門彈簧：13Cr18Ni8.5；

主軸：高N不銹鋼Cronidur。

航空裝備用不銹鋼    

飛機結構件

框架、起落架：0Cr13Ni8Mo2Al、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr15Ni5Cu3Nb；

蒙皮、蜂窩結構、桁架：0Cr14Ni8Mo2Al、0Cr13Ni8Mo2Al；

框架、大梁：1Cr16.5Ni4.5Mo3N；

《550℃燃料箱、密封容器、螺栓：08Cr15Ni5Mo3；

緊固件：1Cr13、2Cr13、0Cr13Ni8Mo2Al；

彈簧、齒輪、蒙皮、緊固件：3Cr13Mo、0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr15Ni5Cu3Nb；

機翼軌道、作動器：00Cr12Ni11Mo1Ti1.6；

壓力容器、緊固件（抗氫脆性好）：00Cr10Ni10Mo2AlTi；

航空燃料與液壓控制系統：奧氏體鉻鎳不銹鋼；

預研新型高強高韌耐蝕結構件：KIscc提高3倍，耐蝕性≥15-5PH高強不銹鋼。

航天設備用不銹鋼分為飛船、火箭發動機、飛行器、火箭結構件、資源節約型不銹鋼。

彈射彈簧、指令艙內外蒙皮、火箭殼體彈射彈簧、火箭蒙皮、蜂窩結構、燃料箱、液氧瓶：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al；

緊固件：A286；

登月艙傳動裝置齒輪、閥門：AISI 440；

宇宙飛船軸承與摩擦部件：145Cr14.5V2 （BG42）；

登月艙天線和機械艙：0Cr14Ni8Mo2Al；

宇宙軌道飛行器流體管路：1Cr21Ni6Mn9N。

固體火箭助推器輔助動力裝置的燃料分離閥門：Cr15.5Ni4.25Mo2.75N；

火箭、航天器軸承：33Cr16Mo1N；

大型火箭殼體：0Cr16Ni4Cu3Nb；

薄璧壓力客器（發煙硝酸）：AISI 410；

液體發動機：00Cr15Ni6Nb、1Cr21Ni5Ti、1Cr17Ni7、00Cr14Ni11、00Cr10Ni10等；

姿態控制發動機電磁閥：02Cr18Ni0.5Ti0.4RE；

瞬間高溫彈簧：00Cr13Ni8Mo2TiNbAl、00Cr12Ni8Cu2AlNb；

火焰簡、尾噴管：1Cr21Ni6Mn9N；

預研納米晶（200nm）渦輪盤：AISI 304、410；

火箭低溫高壓容器：00Cr11Ni10Mo2TiAl、00Cr14Ni16Mo2NbAl。

土星5號厚壁壓力客器、墊片、密封墊、彈簧：ICr16.5Ni4.5Mo3N；

遠程導彈、探空火箭機身結構：ICr17Ni7；

運載火箭二次火箭筒體：ICr13；

高壓耐蝕氣瓶：0Cr17Ni7MoAl；

高速飛行器、火箭軸承、摩擦件：145Cr14.5V2 （BG42）；

火箭發動機外殼：ICr25Ni5Ti；

航天飛機燃料泵：x30CrMoN15-1；

陀羅儀防振臺架、控制盤等：防振不銹鋼；

新型結構件（高強、高初、耐蝕）：2000MPa級Ferium S53（21Cr10Co14Ni5.5Mo2W1V0.3）；

注射成形轉子：17-4PH。

對于較短時間使用且難以回收部件：08Cr12Mn5Ni4Mo2Al（部分代0Cr15Ni7Mo2Al）及0Cr17Ni4Mn3Al（部分代0Cr17Ni7Al）。