不锈钢和铝合金哪个更适合造火箭？

  ，作者：洞穴之外，原文标题：《洞穴之外不锈钢和铝合金，你选哪个？》，题图来自：视觉中国

  2019年1月24日，《大众机械》（Popular Mechanics）杂志对埃隆·马斯克独家采访的报道（详细内容见文后），透露了星舰和超重火箭改为不锈钢作为贮箱材料的信息，不锈钢贮箱一时间传遍大江南北。

  宇宙神2一子级的结构系数达到了惊人的0.946，超越了大多数铝合金贮箱。

  （奥氏体）不锈钢的强度，有一种应变强化技术，即通过某些特定的程度的预应变使得亚稳态奥氏体不锈钢组织中的部分奥氏体晶格无扩散切变成马氏体，由此提高材料的强度。

  。之后将外力卸载，此阶段的应力沿着虚线下降，下降过程平行于材料的弹性阶段曲线。当试样重新加载时，应力应变曲线先沿上升，当应力超过强化应力，试样产生塑性变形，并缓慢发展。这说明应变强化技术提高了材料的屈服强度，达到了预期的目的。

  宇宙神导弹采用深冷应变强化的301 不锈钢，它在-196℃下抗拉强度可达 1792.66MPa，比强度达到226，已超越了2A14；

  （最上部，不承受液柱压力）厚度0.36mm，如考虑1.4倍安全系数，同时不考虑卫星载荷的轴压作用，对应内压约为0.3MPa；

  不锈钢1800MPa的抗拉强度为低温强度，它在常温和高温下的强度急剧降低，原厚度已经远远不够。

  11.6mm厚度，可以完全兼顾0.4MPa的内压和5000吨的轴压，此时贮箱总重为27吨；

  毡材料。约有 50%的轨道飞行器上表面为FRSI所覆盖。每块FRSI厚4.8～16mm，面积为0.9 m×1.2m，毡片直接粘贴在轨道飞行器外壳表面上。总覆盖面积达333m^2，总重约532kg（文献9）。考虑到一个30m贮箱半边面积约420m^2，因此参考航天飞机，背风面需要防热重量约670kg。

  因为制造工艺，因为快速迭代。在“多快好省”上，铝合金占了“好”字，而不锈钢占了“多快省”三字。

  （LD10）合金在热处理强化状态下焊接时，易产生焊缝金属凝固裂纹及近缝区母材液化裂纹；焊缝脆性大，对应力集中敏感。

  美国人研制“雷神”导弹贮箱时，遇到了焊接技术上的麻烦，其焊接区厚度为网格壁板厚度的7倍，而且焊缝旁边还有一排水密铆钉，可见当时美国人在焊接技术上缺乏高招。直至研制“大力神”洲际导弹，期刊文献方对其贮箱焊接技术作了广泛报告，据说采用了标准的ER4043焊丝和计算机控制的钨极氩弧焊方法。但据后来了解，美国人当面承认，2014-T6贮箱焊接生产的全部过程中仍有时出现裂纹，他们的质量操控方法是自动记录焊接工艺参数。

  美国在研制向月球发射的土星五号运载火箭时， 虽然LH/L02 贮箱仍采用20l4-T6 铝合金材杆，但其一级贮箱太大，直径达10m， 无法采用传统的硬式工装及卧式装配焊接方法而改用立式总装焊接方式和软工装实行横焊和立焊，他们可能预见到2014-T6 铝合金已不能适应此种焊接工艺条件，遂改用可焊性良好的2219铝合金作为贮箱材料。

  熔焊铝锂合金时，存在的几个主体问题是焊缝气孔、裂纹、焊缝区锂元素的挥发和接头系数较低。为解决熔焊铝钾合金时的气孔问题，焊前不得不进行机械加工或化铣方法去除表面；为消除铝锂合金熔焊产生的焊接裂纹不得不在填充焊丝和焊后热处理做文章；所以不仅耗时、低效而且焊缝质量很难保证。解决的方法是采用搅拌摩擦焊，1997年麦道公司已将这种方法用来制造德尔塔2/3型火箭的推进剂贮箱。

  与SpaceX需要的露天焊接、快速迭代相比，显然不锈钢才能更好地满足需求。

  2019年11月21日，Starship的全尺寸原型机MK1在贮箱低温强度试验中突然发生破裂，不锈钢贮箱前底和短壳被箱内气体高压崩飞数十米远，后底随即也发生破裂，MK1直接报废。

  快速迭代是他的战略前提，因此技术决策的考量点是效率、效率和效率，也许在他的眼里，铝合金是一个战术选择，而不锈钢才是当前的战略选择。

  附：2019年1月24日，《大众机械》（Popular Mechanics）杂志报道，他在位于加州霍索恩的SpaceX总部接受了《大众机械》主编瑞安·达戈斯蒂诺的独家采访。

  埃隆·马斯克：是的。星舰和”超重型“火箭助推器的设计改为用特殊的不锈钢合金。我对此考虑了很久。这种做法有点违反常理，我费了很大劲才说服团队朝着这个方向努力。但现在我相信他们对此深信不疑，是的，他们被说服了。我们曾经寻找一种先进的碳纤维结构，但进展非常缓慢。碳纤维成本为每公斤135美元，并且有大约35％的报废率——比如你切割纤维，其中一些就没办法使用。它浸渍了高强度树脂，处理起来非常棘手，而且有60到120层。

  埃隆·马斯克：对不锈钢来说，违反常理的一点是，虽然很明显它便宜、进度也快很多，但印象中它不是最轻的。事实上它却是最轻的。如果你看一下高质量不锈钢的特性，不易发现的一点是，在低温下其强度会提高50％。

  大多数钢在低温条件下会变得很脆。你肯定也见过在碳钢上喷液氮的戏法——喷些液氮，然后用锤子打碳钢，它会像玻璃一样破碎。大多数钢都是如此，但对于铬镍含量高的不锈钢却并非如此。铬镍会增加了不锈钢的强度，并提高其延展性。所以，即使在零下330华氏度，这种不锈钢会有12％到18％的延展性，非常有韧性，非常坚固，没有碎裂问题。

  埃隆·马斯克：是的，比如陶瓷——像咖啡杯之类——很难阻止裂缝。一旦裂缝开始，就会像玻璃一样直至最后完全碎裂。然而根据金属类型的不同，某些金属具有比其他金属更好的断裂韧性，而断裂韧性可随温度而变化。从技术上来看，韧性是指应力-应变曲线下的区域。因此，当你对某个物体施加压力时，这个物体会有多大的应变，或者说物体会有多大的变形？这是一个重要的效益。

  （约204摄氏度）。但是400华氏度的话，就真的到达极限了。材料会变弱，有些碳纤维虽能承受400华氏度，但是强度方面就会缩水。但钢铁能够达到1500～1600华氏度

  埃隆·马斯克：我们确实有一个很棒的材料组，但最初我们会简单地使用高品质的301不锈钢。还有一件重要的事情会带来非常大的不同。在上升过程中，你需要一些在低温下强度很高的东西；再入时，需要可承受高温的东西。因此，隔热罩的质量由隔热瓦和空气框架之间界面处的温度决定。无论是机械的还是粘合在一起，不管接合点是什么，这决定了隔热罩的厚度。

  的接口温度下自如地使用，因此在接口点的温度承受能力提高了5倍，这在某种程度上预示着，对于钢结构来说，后壳的背风侧不需要任何隔热设备。

  注：Starship构型、再入动压和航天飞机不同，其背风面温度是否超过航天飞机的300℃，达到800℃，笔者没有计算不好评价，但很怀疑这里马斯克用了一种模糊的线℃只是不锈钢强度急剧下降点，而不是Starship背风面温度。

  瑞安·达戈斯蒂诺：据我所知，这样的做法之前从未被建议过。这是一个巨大的变化。

  埃隆·马斯克：它就是301不锈钢。这么说吧，304不锈钢是人们制作罐子的材料，储量很多。

  埃隆·马斯克：是的。钢材非常容易使用。哦，我忘了提到，碳纤维每公斤135美元，报废率35％，所以差不多要每公斤200美元。但钢材每公斤只需3美元。

  SN7燃料舱首次采用这种新型不锈钢，这是由SpaceX自行开发的一款全新合金不锈钢，目的是提升强度系数。SN7的双胞胎兄弟SN7.1，并不会像SN5、SN6一样打造成“超大笼屉”，还是像SN7一样，只建成一款全尺寸燃料舱，因此编号为SN7.1。星舰开发团队称之为Test Tank测试舱。

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