埃隆·马斯克：为什么我要用不锈钢建造星际飞船？

SpaceX第四次星舰试飞终于成功了。马斯克在X转发了一则2019年他接受popularmechanics（《大众机械杂志》）主编瑞安·达戈斯蒂诺（Ryan D'Agostino）的专访，解释了为什么星舰飞船采用不锈钢材质。

SpaceX 正在用不锈钢制造一枚巨型火箭。据我们所知，这是自 20 世纪 50 年代末 Atlas 计划中一些失败的早期尝试以来，这种材料首次用于航天器建造。

我们知道他这么做是因为，在数周有关设计调整的谣言四起之后，圣诞节前几天马斯克透露，设计调整将远不止于此。星际飞船火箭（以前称为 BFR，即“大猎鹰”火箭，或“大猎鹰”火箭）和超重型助推器所用的最先进的碳纤维将被 300 系列不锈钢取代。

2019 年 1 月 10 日，马斯克在推特上发布了一张星际飞船测试版的照片——本质上是一个原型，可用于亚轨道垂直起降 (VTOL) 试飞，飞行高度可达 16,400 英尺左右。他称此为“跳跃”。

自发布会以来，马斯克曾通过 Twitter 简短地回答了一些好奇的太空观察者提出的直接问题。但在宣布这一消息的两周前，他在加利福尼亚州霍桑的 SpaceX 总部接受了《大众机械》杂志主编瑞安·达戈斯蒂诺的专访，在专访中，他详细讨论了这一变化背后的想法。

瑞安·达戈斯蒂诺：您一直在忙于重新设计星际飞船。

马斯克：是的。我把星际飞船和超重型火箭助推器的设计改成了一种特殊的不锈钢合金。我考虑了一段时间。这有点违反直觉。我花了不少功夫才说服团队朝这个方向发展。

“据我所知，以前从未有人提出过这个建议。”

但现在我相信他们已经信服了——他们已经信服了。我们一直在研究一种先进的碳纤维结构，但进展非常缓慢，每公斤的成本为 135 美元。而且废品率约为 35%——你剪掉织物，有些就用不了了。它浸渍了高强度树脂，这非常棘手。而且有 60 到 120 层。

瑞安·达戈斯蒂诺：与不锈钢相比如何？

马斯克：不锈钢的反直觉之处在于，它显然很便宜，显然速度很快——但它显然不是最轻的。但它实际上是最轻的。如果你看看优质不锈钢的特性，不明显的是，在低温下，强度提高了 50%。

大多数钢在低温下都会变得非常脆。液氮对典型碳钢的作用原理您已经见识过了：喷洒液氮，用锤子敲击，它会像玻璃一样碎裂。大多数钢都是如此，但铬镍含量高的不锈钢则不然。铬镍含量高的不锈钢强度实际上会提高，延展性仍然很高。因此，在零下 330 华氏度时，延展性约为 12% 到 18%。延展性非常好，韧性也很好。没有断裂问题。

断裂韧性是一种特性，如果某物出现小裂纹，材料是否会阻止裂纹，还是裂纹会扩展？那么，当你经历反复的振动多重应力循环时，材料中的小缺陷会扩展多少？

瑞安·达戈斯蒂诺：所以有些材料可以阻止自身的裂缝。

马斯克：是的，例如陶瓷（如咖啡杯）不善于阻止裂缝。一旦裂缝开始，它就像玻璃一样。然后取决于你拥有的金属类型（某些金属的断裂韧性比其他金属更好），并且断裂韧性会随温度而变化。韧性在技术上是应力-应变曲线下的面积。因此，当你对某物施加压力时，应变有多大——物体可以变形多少？这是一个重要的好处。

不锈钢是 Atlas 早期使用的。早期 Atlas 是一个钢制气球罐。早期 Atlas 计划的缺陷在于材料太薄，以至于会因自身重量而坍塌。它就像一个钢制气球，根本无法站立。它会像充气城堡一样坍塌。它甚至无法承载一个小的有效载荷——早期 Atlas 曾多次在发射台上坍塌并造成灾难。

“它真的站不起来。它会像充气城堡一样倒塌。”

不过，这里有一个技巧，我认为当你将其视为再入飞行器时，这个技巧非常重要。钢的另一个优点是熔点高。比铝高得多，尽管碳纤维不会熔化，但树脂在一定温度下会被破坏。因此，通常情况下，铝或碳纤维的稳定工作温度实际上限制在 300 华氏度左右。没有那么高。你可以短暂地超过这个温度，比如 350 华氏度。400 华氏度，你就真的要超温了。它会变弱。有些碳纤维可以承受 400 华氏度，但强度会降低。

但是对于钢材，温度可以达到 1500 到 1600 华氏度。

瑞安·达戈斯蒂诺：你们这里有整个冶金团队吗？

马斯克：我们确实有一个很棒的材料团队，但最初我们只会使用高质量的 301 不锈钢。还有一件重要的事情会造成很大的不同。对于上升，你需要在低温下保持强度的东西。对于进入，你需要能够承受高温的东西。因此，隔热罩的质量由隔热罩瓦片和机身之间的界面温度决定。无论是机械的还是粘合的——无论界面点是什么——都决定了隔热罩的厚度。

例如，在 Dragon 火箭上，隔热板瓦片的厚度实际上是由隔热板到瓦片与外壳的粘合线的热量决定的。因此，它不是由瓦片的侵蚀决定的。它实际上是由瓦片与粘合线的传导性决定的，因此当瓦片在降落伞下下降时，我们不会丢失瓦片。基本上，你不想把瓦片扔掉。

有了钢结构，现在您可以轻松承受 1500 华氏度的界面温度，而不是 300 华氏度，因此界面点的温度承受能力提高了五倍。这意味着对于钢结构来说，背壳的背风面不需要任何隔热层。

在迎风面，我想要的是有史以来第一个再生隔热罩。双层不锈钢外壳——本质上就像一个不锈钢三明治，有两层。你只需要用桁条连接两层。你可以在夹层之间注入燃料或水，然后在外面有微孔——非常小的孔——你基本上可以通过外面的微孔排出水或燃料。除非你靠近，否则你看不到它们。但你使用蒸发冷却来冷却火箭的迎风面。所以整个东西看起来仍然是全镀铬的，就像我们面前的鸡尾酒调酒器一样。但其中一侧将是双层的，这有两个目的，即加固飞行器的结构，使其不会遭受 Atlas 的命运。你有一个隔热罩，它既是结构，也是结构的双重用途。

是的。

据我所知，以前从未有人提出过这一建议。

瑞安·达戈斯蒂诺：这是一个巨大的变化。

马斯克：是的。

瑞安·达戈斯蒂诺：钢材从哪里来？

马斯克：就是 301 不锈钢。我这样说吧：304 不锈钢是用来做锅的。304 不锈钢有很多。

瑞安·达戈斯蒂诺：这会对你的日程安排有什么影响？

马斯克：它会加速这一进程。

瑞安·达戈斯蒂诺：因为它更容易操作吗？

马斯克：是的。钢材非常容易加工。哦，我忘了说了：碳纤维每公斤 135 美元，35% 是废料，所以每公斤的价格接近 200 美元。钢材每公斤 3 美元。

瑞安·达戈斯蒂诺：这是一个好主意。

马斯克：是的。