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最彪悍的私企:用不銹鋼造全球最大火箭 能把人類送到火星

2019-02-12 09:24:14 點擊數:
作為美國私營航天公司SPACEX未來登陸月球和火星,乃至于在地球軌道上建立工廠的主力運載工具,正在建造首個懸停原型機的BFR火箭不同于現在嶄露頭角的獵鷹九號火箭,是SPACEX真正的"主菜"。

但當外界得知這道"主菜"的用料并不是碳纖等合成纖維,而是看上去十分土氣的不銹鋼之后,質疑和爭論隨即到來。而在近日接受媒體采訪談及此事時,SPACEX的執掌者馬斯克當即表示,使用不銹鋼能為BFR火箭節省接近99%的材料成本。

圖為BFR火箭推進段的內部結構,其芯級直徑達到了驚人的9米。

簡單來說,在BFR火箭的研發初期,SPACEX所心水的隔熱材料是NASA領頭研發的隔熱樹脂浸漬碳纖維。不同于令人"印象深刻"(航天飛機事故)的上一代分體式隔熱瓦,這類碳纖的強度和隔熱能力都有極大提升,還擁有了陶瓷隔熱材料難以具備的韌性。

但身為人類有史以來將要建造的,體量最大的運載火箭,BFR火箭的表面積也是異常龐大,這就意味著它需要在表面鋪滿昂貴的碳纖維:每千克隔熱碳纖維的出廠價即達到135美元,而BFR火箭將要敷設的表面材料可能就多達數百噸。

圖為BFR火箭(右一)和其它知名運載火箭的對比,紅箭處為中國的長征五號。

而不同于易加工的傳統金屬材料,碳纖維在剪裁、接合后的"邊角料"無法回收再利用。根據SPACEX自身的統計,這會使得火箭使用碳纖維的成本上升到每千克200美元左右。

在極大的資金壓力下,SPACEX自然尋求其它耐熱材料。當然正如馬斯克自己所說,使用不銹鋼是一個"反直覺"的選項,但即便是市售的300系列不銹鋼也在耐熱/耐冷方面能和碳纖維相媲美,這是無可辯駁的事實。

圖為加力起飛的米格-25戰斗機,該機正是使用不銹鋼材料達到了耐熱的要求。

而在BFR火箭離開或再入大氣層時,迎風和背風面,乃至不同位置表面的溫度都會有所不同,而且差別還不小,這也是碳纖維材料難以施展手腳的重大因素:為適配相應的溫差需求,不同標號的碳纖材料將被迫接合在一起,這無疑極大增大了火箭制造的難度。

而對于適宜溫度覆蓋零下150度到零上近1000度區間的不銹鋼來說,上百攝氏度的溫差根本不構成任何問題。更重要的是,市售300系列不銹鋼的成本極低,算上加工費用也不過每千克3美元……

圖為RAD750宇航級處理器系統,單價超過20萬美元。

當 然,這也不是SPACEX第一次通過"另辟蹊徑"解決航天級元器件的問題了。眾所周知,用于外層空間環境的宇航級處理芯片需要嚴密的防護以及特設的工作周 期,價格非常昂貴。而SPACEX的電子工程師則在市售的X86商用處理器基礎上搭建了巧妙的協同糾錯結構,成功將總價數千萬美元的火箭控制系統成本降低 到數萬美元,可靠性甚至比傳統航天級處理器更強。

圖為重復使用3次后回收的獵鷹九號火箭,已經能充分證明其可靠性之強。

在 此之前,隨著SPACEX通過"獵鷹九號"運載火箭將世界航天市場的發射成本減少四分之三,諸如"銥星二代"和"太空殯葬"等新興太空產業先后出現。因此 筆者可以肯定,在BFR火箭"變本加厲"地降低航天發射成本之后,脫離地心引力,通向外層空間的車票會更加廉價,"星辰大海"的美好愿景也會離現實更進一 步。

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