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火箭狂人马斯克:SpaceX逆天的猛禽发动机和全不锈钢金属外壳

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  先来说这个商业航天公司成功的秘诀:全靠炸出来!

  火箭狂人马斯克

  以前只听过碳纤维造火箭,铝合金造火箭,没有听过用不锈钢造火箭吧!不得不说火箭狂人的称号不是白给的,SpaceX目前在用不锈钢材料制作巨型火箭。这是自20世纪50年代末不锈钢材料首次用于航天器的制造。

  
不锈钢造火箭

  我们知道用碳纤维和铝合金造火箭外壳是由于强度够大,且重量更轻,而星舰和“超重型”火箭助推器的设计改为用特殊的不锈钢合金。这样的做法确实有点违反常理,毕竟人类航天发展那么多年都没有尝试用不锈钢作为火箭材料,无外乎就一个原因:太重了。全不锈钢外壳太重,一般的火箭发动机推力不足或者就是浪费太多燃料,而为什么SpaceX敢用,这不仅得益于不锈钢本身的一些特性,更重要的是一款性能逆天的火箭引擎。

  
SpaceX猛禽发动机

  SpaceX的猛禽发动机是一款以甲烷为燃料的全流量分级燃烧循环发动机,也是人类历史上第一个投入使用的全流量循环发动机,其开发难度非常之大,以至于从未有过同类发动机上天。猛禽发动机不但使用了一种近乎疯狂的发动机循环方式(开式循环),还要使用液态甲烷作为燃料,而这也是运载火箭中前无古人的举措。至于为什么用甲烷,据说火星上有丰富的甲烷,马斯克认为,未来无论是去火星还是飞到月球,降落下去之后能再次起飞很重要,否则就真成了“单程票”,上去的宇航员一去不复返,生意就玩砸了。

  

  猛禽是一款液氧甲烷发动机,之所以选甲烷而不用液氢或煤油,是因为有研究表明火星上存在有大量的甲烷,以后去火星添加燃料比较方便。

  推力面积比最高:仅仅1.3m喷管直径能提供200吨级推力,甚至比固推更高,如果多发动机并联可靠性能完全证明(FH已初步证明),那么推力面积比将比推力更重要。例如现在推力最大的RD-171直径3.8m,而四台猛禽放在一起,直径不过3m左右,加在一起推力也是800吨级。SpaceX设计的SH,直径9m,如果使用F1,只能放下5台,总推力35MN;使用RD-171,7台都勉强,总推力56MN,而使用猛禽,可以放下37台,总推力超过72MN。与此同时还是同级别发动机中价格最低的!

  

  虽然猛禽发动机的单个参数并不出众,但把所有特性合起来就很逆天了。可以理解为一个参数勉强够用,但是具有高可靠性和低成本,完全为重复使用优化的发动机。由于全流量循环天生具有高比冲特性,因此未来会有很大的发展空间,现在参数低的版本只是解决有无问题。

  大力出奇迹

  猛禽发动机推力控制还存在不小的问题,为什么呢?因为SpaceX现在还不能随心所欲地控制它的推力大小,你只要一点火,它就会飞到很高的地方。所以在试验中,SpaceX把三台发动机减为一台,让它斜着推这个大铁桶。

  

  火箭处于倾斜的状态飞行 火箭处于倾斜的状态飞行

  尽管燃料不值多少钱,但鉴于之前星舰在试飞时炸了好几次,为了预防万一并减小损失,燃料箱里只加了很少的推进剂,这样大铁桶就变得更轻。这对于推力达200吨的猛禽发动机来说是个难题:火箭太轻,猛禽又太猛,为安全起见又不能加太多燃料,飞行变得很难控制。

  

  于是SpaceX用25吨的大铁块来给火箭加重,这也就有了巨大不锈钢圆桶的发动机似乎装歪了,并且它的顶端还安装了一个四方形的铁盒子(这是什么操作)

  装置顶端的巨大铁盒子里边也并不是什么高精尖的设备,它只是一个重达25吨的配重块。只佩服猛禽发动机,果然是大力出奇迹!

  果然不锈钢便宜

  火箭给力只是一方面,SpaceX前期也尝试寻找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,所以实际成本接近每公斤200美元,而不锈钢则只有3美元。

  

  用普通的钢不行吗?大多数钢在温度极低的时候,非常容易断裂的,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,同时钢还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。与此同时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%。

  

  钢的另一个优点:它具有高熔点,比铝高得多。虽然碳纤维不会熔化,但纤维树脂在一定温度下会被破坏。所以通常铝或碳纤维的材料需要一个稳定的工作温度,大约被限制在300华氏度(约150摄氏度)左右。400华氏度基本就到达极限了。材料会变弱,有些碳纤维虽然可以承受400华氏度,但是强度方面就会缩水。但钢铁可以达到1500~1600华氏度。使用钢材可以使接口点的温度承受能力提高5倍,同时也意味着,对于钢结构来说,后壳的背风侧不需要任何隔热设备。

  

  SpaceX公司确确实实是在试着建造去火星的“星舰”飞船,它的直径达9米,高度超过40层楼。星舰设计为两级,其中一级火箭高达70米,由31台“猛禽”液氧甲烷发动机推进;二级飞船也有50米高,配备6台猛禽发动机,是名副其实的超重型火箭,据说开始就弄了20个原型机,爆一个发一个,不知道最后20个原型机能不能剩下几个,这样说SpaceX选择用不锈钢似乎有人家的道理,不是嘛?

  

  马斯克的火星殖民梦

  

  星舰发动机飞行试验

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