馬斯克為什麼用不銹鋼

A. 馬斯克「星艦」成功跳高150米！為什麼要頂個25噸的鋼錠

埃隆·馬斯克從來就是個「不走尋常路」的 科技 狂人。他搞火箭回收，成了；他搞衛星全球寬頻網，成了一半；他在南德克薩斯的大帳篷里用不銹鋼薄板造火箭，要用它上火星；他在一個到處是灰塵泥土像是建築工地一樣的發射場裝配和測試火箭，居然也成功了。

服氣。

馬斯克的夢想是打造一枚巨大的火箭和飛船，要用它去殖民火星。這個夢想到底能不能實現另說，但SpaceX公司確確實實是在試著建造去火星的「星艦（StarShip）」飛船，它的直徑達9米，高度超過40層樓。星艦設計為兩級，其中一級火箭高達70米，由31台「猛禽」液氧甲烷發動機推進；二級飛船也有50米高，配備6台猛禽發動機，是名副其實的超重型火箭。

俗話說「飯要一口口吃」，鋼鐵俠馬斯克自然也明白這個道理，在NASA的巨額訂單和科研人員的支持下，他首先用不銹鋼做出了第二級飛船的模型。在經過四次失敗之後，馬斯克的「大鐵桶」成功完成了150米的驚人一跳。

2020年8月5日，SpaceX的一個鋥亮的不銹鋼桶在一台猛禽發動機的推動下，完成了總共1分鍾的飛行試驗。

細心的朋友立刻注意到，這個巨大不銹鋼圓桶的發動機似乎裝歪了，並且它的頂端還安裝了一個四方形的鐵盒子。這究竟是怎麼回事呢？

按照設計，在這個直徑8米的實驗裝置下面本應該安裝三台猛禽發動機，由於實驗只要求它能飛起來，因此撤掉了兩台，剩下的一台就沒有安裝在中心位置。

裝置頂端的巨大鐵盒子里邊也並不是什麼高精尖的設備，它只是一個重達25噸的配重塊。這個一人多高的大傢伙在發射場被臨時安裝在火箭上面。

下邊撤了兩台發動機，上面又加一個配重，馬斯克到底唱的是哪一出呢？

其實SpaceX就是要證明這東西能起飛，並且能平穩地降落下來。馬斯克認為，未來無論是去火星還是飛到月球，降落下去之後能再次起飛很重要，否則就真成了「單程票」，上去的宇航員一去不復返，生意就玩砸了。

猛禽是一款液氧甲烷發動機，之所以選甲烷而不用液氫或煤油，是因為有研究表明火星上存在有大量的甲烷，以後去火星添加燃料比較方便。

但猛禽發動機還沒有完全成熟，它的推力控制還存在不小的問題。也就是說SpaceX現在還不能隨心所欲地控制它的推力大小，你只要一點火，它就會飛到很高的地方。所以在試驗中，SpaceX把三台發動機減為一台，讓它斜著推這個大鐵桶。

盡管燃料不值多少錢，但鑒於之前星艦在試飛時炸了好幾次，為了預防萬一並減小損失，燃料箱里只加了很少的推進劑，這樣大鐵桶就變得更輕。這對於推力達200噸的猛禽發動機來說是個難題：火箭太輕，猛禽又太猛，為安全起見又不能加太多燃料，飛行變得很難控制。

於是SpaceX用25噸的大鐵塊來給火箭加重。

這還真是個科學問題：

盡管不銹鋼比鋁鋰合金重多了，但由於內部結構簡單，星艦的試驗模塊還是很輕的。8米直徑30米高的大塊頭，加上發動機和推進劑總共才50噸上下。它里邊幾乎就是空的。

這么大的空間，為什麼不把配重加在下邊呢？畢竟按照我們常人的理解，下盤扎實總比頭重腳輕強呀！

不知道你看沒看過咱們的一種民間活動叫「耍中幡」。一根十幾米（三丈三）高的竹竿，在藝人手裡上下翻飛穩如泰山。

咱們在家裡自然耍不了竹竿，但將掃帚柄立在手指頭上，也不難保持平衡。

如果你想試著將掃帚大頭朝下，或者想在手指頭上豎起鉛筆，就不是件容易的事了。為什麼？

因為中幡很長，倒立的掃帚重心高，好控制平衡；而重心太低它就容易倒。

為了盡量抬高重心，SpaceX將重達25噸的兩個鋼卷焊接起來裝在一個大鐵盒子里，再吊裝到30米高的火箭頂端，這樣至少可以將試驗裝置的重心抬高到20米以上，從而確保主發動機和調姿發動機配合保持火箭的平穩狀態。

獵鷹火箭做成細長的形狀，為的也是提高重心，在下落的過程中可以保持平衡，這樣更有利於回收時的控制。

由上面的分析，我們可以得出結論，SpaceX之所以在「星艦」起跳試驗時在火箭頂端配上一個25噸重的巨大鐵塊，其最主要目的是抬高火箭重心，保證飛行時的平衡。

星艦首秀是為了驗證猛禽發動機的操控性能，但由於發動機的推力太大，它現在還沒辦法調節推力大小，因此需要用大鐵塊來減少推進劑的加註，同時增加火箭的重量，使其不至於飛得太高。

因此，讓星艦頂個鐵塊，既省了錢，又保證了試驗的安全進行，不失為兩全其美的好辦法。

火星很遠，但不管怎樣，馬斯克走出了第一步。夢想總是要有的，只要他一直在走，沒准真實現了呢？

B. 美國私企用301不銹鋼造飛船登火星！馬斯克這么做只為省錢

2018年底，美國太空 探索 公司SpaceX的老闆埃隆·馬斯克向世人展示了一艘人類 歷史 上最大的宇宙飛船，他給這艘飛船起了個極科幻的名字「星艦」Starship。在馬斯克展示的PPT中，星艦通體黝黑，如同《星球大戰》里的黑武士一樣在火星上空飛行。因為，SpaceX打算用最先進的材料碳纖維來打造這艘未來飛船。

僅僅過去了兩個月，2019年1月初，馬斯克又向媒體展示一張新圖片，在這張新圖片里，18層樓高的星艦變成了銀白色。馬斯克稱這「看起來像液態銀」，因為SpaceX決定用不銹鋼來打造星艦飛船。當然，飛船需要經過大量測試，一開始就採用昂貴的碳纖維來製造外殼顯然有點浪費——馬斯克迷們這樣想。

然而接下來的星艦原型機測試卻讓馬迷們的臉有點疼，媒體紛紛提出質疑：老馬你不是來 搞笑 的吧！

星艦測試段看起來就是「液態銀」飛船的下半部分，也確實是由不銹鋼製造，但這個名為「Starhopper」的大鐵桶表面坑坑窪窪，很顯然焊接工藝相當不過關。

外表其實不重要，因為SpaceX公司的目的是用它來測試發動機和飛行控制系統，只要它能離開地面，不炸，就成了。

2019年7月26日，這個9米粗的不銹鋼圓桶飛到了20米高度，22秒後穩穩落回地面。馬斯克在社交媒體上興奮地宣布：「Starhopper飛行成功，水塔可以飛哈哈！！」

Starhopper能飛，這對於SpaceX來說並不是難事，因為「獵鷹9號」火箭的看家本領就是空中懸停、水平移位，類似的技術對於今天大多數航天強國都不算高精尖了。

隨著時間推移，SpaceX星艦的外形越來越向最初PPT草圖靠近，雖然外殼依然是不銹鋼薄板，焊接工藝卻好了許多。2021年末，馬斯克正式宣布，將來飛去火星的星艦飛船將只採用不銹鋼，徹底拋棄碳纖維的設想！

為什麼會這樣？難道馬斯克為了省錢甚至不惜拿火星移民的性命冒險嗎？

的確，在創立SpaceX的第一天起，馬斯克就把「省錢」二字玩到了極致，因為SpaceX的目標就是「降低太空運輸成本」，用最少的錢干最大的事。為了省錢，這家航天公司一反所有航天機構高大上的形象，他們在荒地上搭建大篷，僱傭普通焊工，找最便宜的原材料，在到處都是泥土和灰塵的地面建造火箭。如果不跟你說那是全球名氣最大的航天企業，你一定會以為是某個鄉鎮企業爭取到了一筆馬口鐵蒸籠的大單。

有看官說了，甭管人家環境怎麼樣，活兒好，做出來的東西精緻就行。

話不多說，咱還是再上一張圖吧，這是SpaceX剛做好的星艦，已經矗立在發射塔架上准備測試了，大夥兒瞧瞧工藝如何：

也難怪NASA對馬斯克用不銹鋼造火箭多有抱怨： 你這么玩，不是砸我牌子么？

但不銹鋼便宜，這是誰都不能否認的事實。馬斯克算過一筆賬：用碳纖維造火箭，每公斤的成本超過135美元，同時碳纖維材料有35%的損耗，總的算起來每公斤需要200美元；同樣用301不銹鋼薄板只需要3美元！碳纖維製造工藝復雜，專業技術人員每小時工資要250美元，而焊接不銹鋼板的普通焊工每小時工資不到50美元。

這么一算下來，如果用碳纖維造一個100噸重的飛船外殼要幾千萬美元，而用不銹鋼薄板幾十萬就搞定了。

馬斯克棄用碳纖維不只因為它貴，而是它確實不適合星艦的任務要求。

碳纖維材料的優點是輕、強度高，隨著價格越來越便宜，不僅主流民航飛機大量採用碳纖維，連家用轎車和自行車等也越來越多地用它來作為結構部件和殼體。

但碳纖維的強度是有方向性的，在某些方向上它能承受很大壓力，而在另一個維度上卻又表現得很脆弱，如果將它製成直徑達12米的火箭外殼，依然需要設置額外的增強結構，這又使總重量增加，碳纖維輕薄的優點便不復存在。

碳纖維不可焊接，如果要用它製造星艦殼體，你需要一個直徑12米、長度超過50米的巨大卷軸來纏繞纖維絲，然後再用一台更大的設備來抽真空、烘烤幾小時甚至幾天才成固化。這對於一心想省錢的馬斯克來說是不可想像的。相比之下，用3毫米厚的不銹鋼板焊接幾乎不需要什麼設備和投資，露天都可以干，速度快多了。

不銹鋼在高低溫狀態下的性能要優於碳纖維。301不銹鋼隔熱性能好，適合在8.5個大氣壓下存儲超低溫的液態氧；同時它還能承受火箭進入大氣層時摩擦產生的高溫，只是在溫度超過815 時才失去強度，所以需要在與空氣摩擦最劇烈的位置鋪上隔熱陶瓷。

碳纖維導熱性能好，用它來裝液氧需要雙層殼來隔熱，這意味著額外增加重量；雖然它也能耐高低溫，但在重返大氣層時，發動機噴出的火焰會持續炙烤飛船外殼，飛船里邊還有液態氧，這會使整個飛船或火箭變成熊熊燃燒的火球。

講了這么多，你應該明白了，馬斯克並非僅僅是摳門才使用301不銹鋼來製作星艦飛船，而是不銹鋼確實有許多優點：它在同樣重量下強度更高，能適應極端高低溫環境，加工和維護的成本低，製造速度快，甚至不需要刷油漆......最最重要的，它確實太便宜。

相比之下，碳纖維過於高大上，它的材料成本是不銹鋼的70倍，加工工藝復雜昂貴，精度要求苛刻，實際上如果要做到星艦任務所需要的強度，碳纖維的重量優勢並不明顯，更麻煩的是這東西在高氧環境下太容易燒了，搞不好就出人命。

所以SpaceX決定棄用碳纖維是有道理的，只是不知道2024年他們的不銹鋼星艦是不是真可以飛去月球再安全飛回來？

#馬斯剋星艦計劃#

C. 馬斯剋星艦用不銹鋼做外殼，艙室設計像客廳，這有什麼好處

一般來說，常規鋼是一種集中的立方體結構，它將變得像玻璃一樣易碎，並會被錘子輕輕敲碎，這是普通機身無法用於航空航天的主要原因。然而，鋁合金是不同的。鋁合金具有以表面為中心的立方結構。馬斯克曾吹噓「星際飛船」不需要隔熱磚就能重新進入大氣層。只有依靠不銹鋼機身和「排汗技術」，才能承受高溫。

到達目的地後，在基地建立之前，外星星際飛船被用作起居室和宇航員避難所，因為它只是以這個起居室的形式設計的，對宇航員的生活和生活非常方便。馬斯克將「星際飛船」S20和「超重型」B4組合在一起，最終「組合」並以12米的高度獲得了人類歷史上最高的火箭金牌，打破了「土星」5號望遠鏡的世界紀錄。

D. 馬斯克：為什麼我要用不銹鋼替代碳纖維建造星際飛船

馬斯克在一月份的推特上說，以前被稱為BFR的火箭將由不銹鋼而不是碳纖維製造。在這次《大眾機械》 雜志的獨家采訪中，他將告訴我們為什麼。

SpaceX目前在用不銹鋼材料製作巨型火箭。據我們所知，這是自20世紀50年代末阿特拉斯計劃中一些命運多舛的嘗試以來，不銹鋼材料首次用於航天器的製造。

我們之所以了解到他的舉動，是因為數周以來一直有傳聞設計會有小幅優化，但在聖誕節前幾天，馬斯克透露此次並非小幅優化。構成「星艦火箭」（此前稱為BFR，或Big Falcon Rocket或Big F-other-word Rocket）的箭體及其「超重型」（Super Heavy）助推器的最先進的碳纖維材料將被300系列不銹鋼所取代。

即將測試飛行的「星艦」火箭剛剛在SpaceX位於德克薩斯州的發射場完成組裝。這是一張未渲染過的真實圖片。——Elon Musk（@elonmusk）2019年1月11日（來源 | twitter）

1月10日，馬斯克在推特上發布了一張「星艦」測試版的照片——基本上是一架原型機，可用於亞軌道垂直起降（垂直起飛和著陸）的測試飛行，飛行高度約為16,400英尺，他稱之為「啤酒花」。

自准揭幕以來，馬斯克通過Twitter簡短直接地回答了好奇的網友們提出的一些問題。但在公布前兩周，他在位於加州霍索恩的SpaceX總部接受了《大眾機械》主編瑞安·達戈斯蒂諾的獨家采訪。他非常詳細地講述了這一變化背後自己的想法。除此以外，他也談及了更多的話題——我們很快就會給你呈現更多的內容。就目前而言，以下是他對這一重大變化的采訪實錄。

安·達戈斯蒂諾: 你一直在忙著重新設計星艦。

埃隆·馬斯克： 是的。 星艦和「超重型」火箭助推器的設計改為用特殊的不銹鋼合金。我對此考慮了很久。這種做法有點違反常理，我費了很大勁才說服團隊朝著這個方向努力。但現在我相信他們對此深信不疑，是的，他們被說服了。我們曾經尋找一種先進的碳纖維結構，但進展非常緩慢。碳纖維成本為每公斤135美元，並且有大約35％的報廢率——比如你切割纖維，其中一些就無法使用，所以實際成本接近每公斤200美元，而不銹鋼則只有3美元。。它浸漬了高強度樹脂，處理起來非常棘手，而且有60到120層。

如果你看一下高質量不銹鋼的特性，印象中它不是最輕的，可是事實上它卻是最輕的

瑞安·達戈斯蒂諾： 相比之下，不銹鋼如何呢？

埃隆·馬斯克： 對於不銹鋼來說，違反常理的一點是，雖然很明顯它便宜、進度也快很多，但印象中它不是最輕的。可是事實上它卻是最輕的。如果你看一下高質量不銹鋼的特性，不易發現的一點是，在低溫下其強度會提高50％。

大多數鋼在低溫條件下會變得非常脆。你肯定也見過在碳鋼上噴液氮的戲法——噴些液氮，然後用錘子打碳鋼，它會像玻璃一樣破碎。大多數鋼都是如此，但對於鉻鎳含量高的不銹鋼卻並非如此。鉻鎳會增加了不銹鋼的強度，並提高其延展性。所以，即使在零下330華氏度，這種不銹鋼會有12％到18％的延展性，非常有韌性，非常堅固，沒有碎裂問題。

斷裂韌性指的是這樣一種性質：如果某些東西有一個小裂縫，材料是會阻止裂縫，還是會導致裂縫擴散？因此，當經歷重復振動的多個應力循環時，材料中的小缺陷會擴散多少？

所以，有些材料可以阻止自己裂縫。

瑞安·達戈斯蒂諾： 所以有些材料可以阻止自己裂縫。

埃隆·馬斯克： 是的，比如陶瓷——像咖啡杯之類——很難阻止裂縫。一旦裂縫開始，就會像玻璃一樣直至最後完全碎裂。然而根據金屬類型的不同，某些金屬具有比其他金屬更好的斷裂韌性，而斷裂韌性可隨溫度而變化。從技術上來看，韌性是指應力-應變曲線下的區域。因此，當你對某個物體施加壓力時，這個物體會有多大的應變，或者說物體會有多大的變形？這是一個重要的效益。

不銹鋼是早期阿特拉斯計劃中使用的材料。早期的阿特拉斯是一個鋼制球罐。阿特拉斯計劃的缺陷在於這種材料太薄，以至於它會在自身重量作用下坍塌。這是一個無法經久耐用的鋼制氣球，它會像一個充氣城堡一樣坍塌，甚至無法攜帶一個很小的有效載荷。早期的阿特拉斯有多個案例是真的在發射墊上坍塌造成的災難。

不過，當你把它看做是可循環利用的飛行器時，我認為有一個很重要的技巧。看，這是鋼的另一個優點：它具有高熔點，比鋁高得多。雖然碳纖維不會熔化，但樹脂在一定溫度下會被破壞。所以通常鋁或碳纖維的材料需要一個穩定的工作溫度，大約被限制在300華氏度（約150攝氏度）左右。這個溫度並不高，在這個溫度以內只能進行一些短途旅行，或許可以超過一下限度，到350華氏度，再努力一下到400華氏度（約204攝氏度）。但是400華氏度的話，就真的到達極限了。材料會變弱，有些碳纖維雖然可以承受400華氏度，但是強度方面就會縮水。但鋼鐵可以達到1500～1600華氏度（816～871攝氏度）。

還有一件重要的事情會帶來很大的不同

瑞安·達戈斯蒂諾： 你們有一個完整的冶金團隊嗎？

埃隆·馬斯克： 我們確實有一個很棒的材料組，但最初我們會簡單地使用高品質的301不銹鋼。還有一件重要的事情會帶來很大的不同。在上升過程中，你需要一些在低溫下強度很高的東西；再入時，需要能夠承受高溫的東西。因此，隔熱罩的質量由隔熱瓦和空氣框架之間界面處的溫度決定。無論是機械的還是粘合在一起，不管接合點是什麼，這決定了隔熱罩的厚度。

例如，在龍飛船上，隔熱瓦片的厚度實際上是由隔熱罩傳到殼體的粘合線上的熱量決定的，而不是由隔熱瓦的侵蝕程度決定的。它實際上是由隔熱瓦到粘合線之間的導電性所決定的，所以在使用降落傘下降時，我們不會丟失隔熱瓦。基本上沒有人想丟掉隔熱瓦。

如果使用鋼材，就可以在1500 華氏度（816攝氏度）而不是300 華氏度（150攝氏度）的介面溫度下自如地使用，因此在介面點的溫度承受能力提高了5倍，這意味著，對於鋼結構來說，後殼的背風側不需要任何隔熱設備。

在迎風面，我想做的是有史以來第一個再生隔熱罩。像不銹鋼三明治一樣的雙層不銹鋼外殼，基本上有兩層。實際上，你只需要兩個與桁條連接的層。你可以在夾層之間放置水，然後在外層有微小的穿孔，非常微小的穿孔，除非靠近，否則根本看不到它們。這些微小的孔可以排水，等於是在使用蒸騰冷卻來冷卻火箭的迎風面。所以整件事看起來仍然是全鉻質感的，就像擺在我們面前的這個雞尾酒調酒器。但其中一方將是雙層的並且具有雙重目的，即加強機體的結構，使其不重蹈阿特拉斯命運的覆轍。你有一個隔熱罩，它作為一個結構提供雙重保障，就是這樣。

據我所知，這種做法之前從未被建議過。

瑞安·達戈斯蒂諾： 據我所知，這種做法之前從未被建議過。這是一個巨大的變化。

埃隆·馬斯克： 是的。

瑞安·達戈斯蒂諾： 鋼材來自哪裡？

埃隆·馬斯克： 它就是301不銹鋼。這么說吧，304不銹鋼是人們製作罐子的材料，儲量很多。

瑞安·達戈斯蒂諾： 這對你的進度有什麼影響？

埃隆·馬斯克： 它會加快進度。

瑞安·達戈斯蒂諾： 因為它更容易使用嗎？

埃隆·馬斯克： 是的。鋼材非常容易使用。哦，我忘了提到，碳纖維每公斤135美元，報廢率35％，所以差不多要每公斤200美元。但鋼材每公斤只需3美元。

瑞安·達戈斯蒂諾： 這是一個好主意。

埃隆·馬斯克： 是的。