马斯克星际飞船爆炸试验中止！不锈钢“高压锅”再次全身而退
为了给星际飞船测试材料性能，SpaceX 连续 4 次尝试把原型机加压至爆炸，还是未能成功。北京时间 9 月 22 日 18 时 30 分，SpaceX 对飞船原型机 SN7.1 最近的一次加压测试宣告中止。来自全球数以十万计的航天爱好者蹲守在直播间坐等爆炸发生，最终失望而归。在此之前，飞船经历了持续八个半小时的连续加压，依然稳稳矗立在 SpaceX 飞船工厂的架子上。这已经是 SpaceX 第四次尝试把原型机加压至爆炸。对于星际飞船材料性能的测试而言，未爆炸或许象征着更大的成功。在此之前，SpaceX 对飞船的材料进行了大范围更换，而近期一系列的测试就是验证新的不锈钢材料能够承受飞船飞行过程中的高压。在本月 14、15 日进行的测试中，飞船原型机 SN7.1 已经圆满完成了预期的压力测试。那之后，SpaceX 尝试对 SN7.1 进行更大压力的测试，直至其爆炸，以给出飞船的极限能力。
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图 | 加压测试以不锈钢颠覆航天材料 2019 年 9 月，一场关于星际旅行的发布会在 SpaceX 位于得克萨斯的总部召开，当时最新的原型机 MK1 正式亮相，从那时开始，一系列密集的测试展开。也是从那时开始，到本月初的原型机 SN6 进行低空飞行，SpaceX 都采用了 301 不锈钢。目前，SpaceX 正以前所未有的速度大量生产飞船原型机，同时 SpaceX 尝试在飞船结构材料上进行替换，将原本的 301 不锈钢替换成 304L 不锈钢。304L 不锈钢的碳含量更少，在部分性能上也更好，因此广泛地用于制作综合性能（耐腐蚀和可塑性）要求更高的设备和机件。但这仅是一个理论结果，在星际飞船这样的大工程上，用实际测试来检验材料性能才是王道。因此才有了主动爆破一台飞船原型机的一幕。测试成功之后，后续的测试原型机以及最终的 Starship 飞船，都将改用 304L 不锈钢。马斯克曾发文表示，Starship 抛弃航天领域更加常用的碳纤维，采用不锈钢材料制造，这是 SpaceX 又一个另辟蹊径的做法。马斯克作为 SpaceX 的首席“工程师”，在这个重大路线上起着决定性的作用。正是马斯克的坚持，Starship 用上了不锈钢——这种日常生活中的普通材料。
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（来源：淘宝）这个做法也不难理解，按马斯克的介绍，碳纤维的价格是每公斤 135 美元，其中由于裁剪加工的原因，35% 的碳纤维都将成为废料，因而材料成本达到了每公斤近 200 美元；而不锈钢的价格则远远低于前者，仅为每公斤 3 美元，堪比白菜价。在 Starship 的早期研发中，SpaceX 曾经锁定一种先进的碳纤维结构，但进展非常缓慢。于是，马斯克决定用不锈钢替换碳纤维。这有点反直觉，但 SpaceX 的工程师团队最终还是被马斯克说服。不锈钢最大的优点在于便宜，且易于制造。但在通常耗资以亿计的航天任务中，这两个优点并没有多大的吸引力。而阻碍不锈钢在航天领域应用的重要原因，则是材料本身比较重。在 “斤斤计较” 的航天发射中，每降低一公斤的重量，都意味着荷载能力的提升，意义重大。更致命的原因，是不锈钢的材料性质问题。我们知道飞船在高速穿过大气层时，表层温度能够达到上千摄氏度；另一方面，火箭、飞船携带的燃料（其中有液氧），温度却低至 - 180°C。极端的温度对航天器材料提出了极端的要求。高温问题尚可通过隔热层进行保护，但多数不锈钢在低温情况下会变脆，比如典型的碳钢，经过液氮冷却后，用锤子一敲打，会像玻璃一样变得粉碎。
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不锈钢的这一特性并非不可改变：提升其中的镍、铬含量可以大幅提高材料的延展性，即使在零下 165 摄氏度条件下，镍铬含量较高的不锈钢仍能表现得韧性十足，没有断裂的问题。其实，美国在几十年前就曾在早期的 Atlas 项目上使用过不锈钢材料。但当时的缺陷在于，不锈钢材料太薄，导致支撑性严重不足，甚至在自重作用下就会发生坍塌。用马斯克的话说，当时的不锈钢就像一个钢铁气球，承受非常小的有效荷载仍然容易坍塌。而 SpaceX 的做法是，将飞船用的不锈钢做成双层结构，中间设计了特殊的微孔，再用特殊的材料像做三明治一样将不锈钢粘合起来。这样首先解决了材料的强度问题，双层不锈钢让舰体强度得以加强，解决了自重坍塌的问题。不仅如此，不锈钢之间的微孔能够在飞船数倍于音速的速度下，慢慢释放水或燃料，这一过程在飞船飞行中能够通过蒸发冷却的原理，降低表面的温度。这是一个创新设计。马斯克表示，虽然不锈钢不算是最轻的，但已经是最合适的材料选择，如果再考虑到碳纤维所需要的特殊粘合手段，以及粘合剂本身的重量，采用不锈钢成了一个更加经济且成熟的方案。把工业器件送上太空不管是 301 不锈钢，还是 304L 不锈钢，本质上都是用成熟的工业级原材料替代宇航级原材料，原因只有一个：便宜。实际上，SpaceX 在宇航替代的路上，已经走得相当远了。以电子器件为例，宇航级元器件是一种贵族般的存在。国内头部民营卫星公司九天微星曾发文介绍，航天器中的元器件需要经历苛刻的环境，除了发射时要禁得住剧烈的抖动和很高的温度，在绕地球飞行时，航天器还要经历高达 270°C 的温差。一只二极管只要上天验证成功，身价可以飙升上百倍甚至上万倍。
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