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马斯克星际飞船爆炸试验中止!

2020-09-23 09:32:18  来源:DeepTech深科技

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。

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。

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。

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。

而对于电子器件来说,太空中的辐射可能更加致命,来自太空中的多种粒子都可能引起电子器件的异常,导致计算错误,严重的甚至可以毁掉整个航天器。

但 SpaceX 出于成本的考量,没有依赖昂贵的宇航级器件,而是尽量采用工业级元器件。

以过往载人飞船搭载的星载计算机和控制器举例,单个控制器价格约为500万元人民币,一共14个系统,为了追求高可靠性,每个系统1+1备份,一共28个控制器,成本总计约1.4亿人民币!

而 SpaceX 用工业级器件替代,将龙飞船主控芯片的总价降至约2.7万人民币。成本相差约5000倍。

那么是如何实现的?据 SpaceX 前火箭总师 John Muratore 透露,龙飞船一共有18个系统,每个系统配置了3块 X86芯片,单价仅为500元左右。

与此同时,SpaceX 把双核拆成了两个单核,分别计算同样的数据。出于冗余的考量,每个系统配置3块芯片共6个核做计算。

如果其中1个核的数据和其他5个核不同,那么主控系统会告诉这个核重新启动,再把其他5个核的数据拷贝给重启的核,从而达到数据一直同步。周而复始,不让一个核掉队,确保计算结果的准确。

事实上,用成熟的工业器件代替传统的航天器件,已经成为一个成本压力之下的聪明选择。SpaceX 如此,其他民营航天公司也是如此。

而如何才能实现更多的替代,同时保证航天器可靠性,对民营航天公司来说已经是航天商业化趋势下的必然要求。在这一过程中,不断用实际的测试、飞行任务来验证器件的可靠性,已是所有民营航天公司的一大必修课。

远期目标:火星

在大笔投入人才、资金的情况下,SpaceX 正走着一条不断改进、不断测试的路线。而支持 SpaceX 这么做的一个重大原因,则是工厂里产能的提升。

马斯克说,如果你只是想造出一件东西,那可以由工程团队来完成。但如果数量更多的时候,就必须造出制造机器的机器。这也就是他所说的飞船产线。

事实上,特斯拉的量产经历让马斯克获得了不少扩大产线的经验,他将特斯拉产能爬坡时的经验也放到 Starship 生产线的建设当中。通过挑战工作安排,SpaceX 的得州工厂开始了7x24小时满负荷运转。

要让这样一个超大型飞行器脱离地球引力、进入轨道,未来在火星着陆,然后返回地球,马斯克当然知道这不是一蹴而就的事情。在很长时间里,他都相信,实现这一目标的唯一现实方法是通过反复试验,不断接近正确的设计。

“提升产量会解决许多问题,”马斯克说,“如果生产率高,产品迭代率就高。几乎所有的技术进展都取决于迭代次数,以及每次迭代之间所取得的进展。只有生产能力足够强,SpaceX 才能完成更多的迭代,同时在迭代中不断进步。”

他表示,目前 SpaceX 正试图打造一支庞大的舰队,让火星适合居住,使生命遍布多个行星。要实现这一目标,SpaceX 大概需要造出1000艘飞船,每艘飞船的有效载荷甚至比土星五型更大,更重要的是可以重复使用。

依然静静矗立在压力测试现场、等待下一次爆炸试验的飞船原型机 SN7.1,也许正是马斯克迈向这一宏伟计划的一小步。

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