㈠ 美国私企用301不锈钢造飞船登火星！马斯克这么做只为省钱
2018年底，美国太空 探索 公司SpaceX的老板埃隆·马斯克向世人展示了一艘人类 历史 上最大的宇宙飞船，他给这艘飞船起了个极科幻的名字“星舰”Starship。在马斯克展示的PPT中，星舰通体黝黑，如同《星球大战》里的黑武士一样在火星上空飞行。因为，SpaceX打算用最先进的材料碳纤维来打造这艘未来飞船。
仅仅过去了两个月，2019年1月初，马斯克又向媒体展示一张新图片，在这张新图片里，18层楼高的星舰变成了银白色。马斯克称这“看起来像液态银”，因为SpaceX决定用不锈钢来打造星舰飞船。当然，飞船需要经过大量测试，一开始就采用昂贵的碳纤维来制造外壳显然有点浪费——马斯克迷们这样想。
然而接下来的星舰原型机测试却让马迷们的脸有点疼，媒体纷纷提出质疑：老马你不是来 搞笑 的吧！
星舰测试段看起来就是“液态银”飞船的下半部分，也确实是由不锈钢制造，但这个名为“Starhopper”的大铁桶表面坑坑洼洼，很显然焊接工艺相当不过关。
外表其实不重要，因为SpaceX公司的目的是用它来测试发动机和飞行控制系统，只要它能离开地面，不炸，就成了。
2019年7月26日，这个9米粗的不锈钢圆桶飞到了20米高度，22秒后稳稳落回地面。马斯克在社交媒体上兴奋地宣布：“Starhopper飞行成功，水塔可以飞哈哈！！”
Starhopper能飞，这对于SpaceX来说并不是难事，因为“猎鹰9号”火箭的看家本领就是空中悬停、水平移位，类似的技术对于今天大多数航天强国都不算高精尖了。
随着时间推移，SpaceX星舰的外形越来越向最初PPT草图靠近，虽然外壳依然是不锈钢薄板，焊接工艺却好了许多。2021年末，马斯克正式宣布，将来飞去火星的星舰飞船将只采用不锈钢，彻底抛弃碳纤维的设想！
为什么会这样？难道马斯克为了省钱甚至不惜拿火星移民的性命冒险吗？
的确，在创立SpaceX的第一天起，马斯克就把“省钱”二字玩到了极致，因为SpaceX的目标就是“降低太空运输成本”，用最少的钱干最大的事。为了省钱，这家航天公司一反所有航天机构高大上的形象，他们在荒地上搭建大篷，雇佣普通焊工，找最便宜的原材料，在到处都是泥土和灰尘的地面建造火箭。如果不跟你说那是全球名气最大的航天企业，你一定会以为是某个乡镇企业争取到了一笔马口铁蒸笼的大单。
有看官说了，甭管人家环境怎么样，活儿好，做出来的东西精致就行。
话不多说，咱还是再上一张图吧，这是SpaceX刚做好的星舰，已经矗立在发射塔架上准备测试了，大伙儿瞧瞧工艺如何：
也难怪NASA对马斯克用不锈钢造火箭多有抱怨： 你这么玩，不是砸我牌子么？
但不锈钢便宜，这是谁都不能否认的事实。马斯克算过一笔账：用碳纤维造火箭，每公斤的成本超过135美元，同时碳纤维材料有35%的损耗，总的算起来每公斤需要200美元；同样用301不锈钢薄板只需要3美元！碳纤维制造工艺复杂，专业技术人员每小时工资要250美元，而焊接不锈钢板的普通焊工每小时工资不到50美元。
这么一算下来，如果用碳纤维造一个100吨重的飞船外壳要几千万美元，而用不锈钢薄板几十万就搞定了。
马斯克弃用碳纤维不只因为它贵，而是它确实不适合星舰的任务要求。
碳纤维材料的优点是轻、强度高，随着价格越来越便宜，不仅主流民航飞机大量采用碳纤维，连家用轿车和自行车等也越来越多地用它来作为结构部件和壳体。
但碳纤维的强度是有方向性的，在某些方向上它能承受很大压力，而在另一个维度上却又表现得很脆弱，如果将它制成直径达12米的火箭外壳，依然需要设置额外的增强结构，这又使总重量增加，碳纤维轻薄的优点便不复存在。
碳纤维不可焊接，如果要用它制造星舰壳体，你需要一个直径12米、长度超过50米的巨大卷轴来缠绕纤维丝，然后再用一台更大的设备来抽真空、烘烤几小时甚至几天才成固化。这对于一心想省钱的马斯克来说是不可想象的。相比之下，用3毫米厚的不锈钢板焊接几乎不需要什么设备和投资，露天都可以干，速度快多了。
不锈钢在高低温状态下的性能要优于碳纤维。301不锈钢隔热性能好，适合在8.5个大气压下存储超低温的液态氧；同时它还能承受火箭进入大气层时摩擦产生的高温，只是在温度超过815 时才失去强度，所以需要在与空气摩擦最剧烈的位置铺上隔热陶瓷。
碳纤维导热性能好，用它来装液氧需要双层壳来隔热，这意味着额外增加重量；虽然它也能耐高低温，但在重返大气层时，发动机喷出的火焰会持续炙烤飞船外壳，飞船里边还有液态氧，这会使整个飞船或火箭变成熊熊燃烧的火球。
讲了这么多，你应该明白了，马斯克并非仅仅是抠门才使用301不锈钢来制作星舰飞船，而是不锈钢确实有许多优点：它在同样重量下强度更高，能适应极端高低温环境，加工和维护的成本低，制造速度快，甚至不需要刷油漆......最最重要的，它确实太便宜。
相比之下，碳纤维过于高大上，它的材料成本是不锈钢的70倍，加工工艺复杂昂贵，精度要求苛刻，实际上如果要做到星舰任务所需要的强度，碳纤维的重量优势并不明显，更麻烦的是这东西在高氧环境下太容易烧了，搞不好就出人命。
所以SpaceX决定弃用碳纤维是有道理的，只是不知道2024年他们的不锈钢星舰是不是真可以飞去月球再安全飞回来？
#马斯克星舰计划#
㈡ SpaceX火箭为啥外表看着像不锈钢
北京时间 3 月 4 日凌晨，马斯克的 SpaceX 又完成了一次星舰 Starship 原型机试飞，这次代号为 SN10 的原型机终于不负众望，圆满完成了起飞、空中转体、空中引擎熄火并重新点火以及最困难的降落回收。胖胖的飞船稳稳地落到了指定地点，不过在安全降落地面8分钟后，SN10原型机再次毫无悬念的和前几任原型机一样“嘭”的爆炸。
星舰作为 SpaceX 面向未来的下一代发射载具，在 2017 年 9 月由马斯克正式公布了比较确切的计划，它未来可代替猎鹰 9 号、猎鹰重型运载火箭以及载人龙飞船等，不仅可执行地球轨道任务，也可完成登陆月球以及火星的任务。从2020年初开始测试的SN1原型机开始到刚刚完成试飞测试的SN10原型机，在累计10次的试飞测试中，只有去年8月连续发射的SN5和SN6两架原型机安全落地后没有爆炸，剩下的8架原型机都毫无悬念的以爆炸结束，所以早在之前每次SpaceX测试星舰原型机的时候，外界都惊呼“马斯克又想放烟花了”。
熟悉Space X公司的都知道这是一家依靠“性价比、可回收”技术成长起来的民营航天发射公司，特别是其猎鹰9系列运载火箭凭借一级火箭回收、重复使用技术大大降低了火箭发射成本，迅速成长为航天发射领域的一匹黑马外，更是在一定程度上引领了世界航天的发展方向。
星舰作为Space X面向未来星际航天的下一代运载火箭，依然从原始设计到火箭应用材料上深入的贯彻了“低成本带来高性价比”的发射理念， 新一代的星舰除了一如既往的采用了回收重复使用理念外，在火箭的制造材料上也是首创性的放弃了之前运载火箭大量使用的“铝锂合金”等金属材料和更高端的碳纤维材料，改为使用更常见的“不锈钢”作为火箭箭体结构制造材料。 比如从SN1原型机开始，马斯克就使用了301不锈钢作为箭体制造材料，所以我们看到早前几次SN系列原型机测试制造的画面时，看到其明晃晃的箭体表面，实际上就是301不锈钢的本质颜色。
至于为什么选择不锈钢作为箭体制造材料，马斯克最为直接的回答就是“便宜”。 的却不锈钢材料无论是从原材料的价格还是后期的加工成本来说，都要比之前火箭使用的铝锂合金等金属材料便宜的多。比如早前猎鹰9运载火箭上大量使用了铝锂合金、钛合金、碳纤维等高端材料，这些材料虽然强度更高的同时，质量更轻，更有利于降低火箭自身重量，提升火箭的运载力。但是这种材料不管是最贵的碳纤维、钛合金还是铝锂合金价格普遍都比较高，比如猎鹰9一级火箭使用了大量钛合金制造的箭体横向结构环和气动格栅舵、碳纤维制造的降落减震支腿，外加上铝锂合金制造的箭体材料，猎鹰9一级火箭的制造成本达到了2040万美元。
但是大量使用不锈钢材料制造的星舰价格超级便宜，从SN1---SN6原型机上大量使用的301不锈钢每千克的价格只有3美元，SN7开始虽然更换为钢性更强一些的304不锈钢，但是价格依然很好的保持在3美元多一点，那么对于Space X而言，更大更重的星舰制造成本反而只需要500万美元，而且加工制造难度更低，更适合快速、批量建造。
就是不锈钢啊
㈢ 马斯克：为什么我要用不锈钢替代碳纤维建造星际飞船
马斯克在一月份的推特上说，以前被称为BFR的火箭将由不锈钢而不是碳纤维制造。在这次《大众机械》 杂志的独家采访中，他将告诉我们为什么。
SpaceX目前在用不锈钢材料制作巨型火箭。据我们所知，这是自20世纪50年代末阿特拉斯计划中一些命运多舛的尝试以来，不锈钢材料首次用于航天器的制造。
我们之所以了解到他的举动，是因为数周以来一直有传闻设计会有小幅优化，但在圣诞节前几天，马斯克透露此次并非小幅优化。构成“星舰火箭”（此前称为BFR，或Big Falcon Rocket或Big F-other-word Rocket）的箭体及其“超重型”（Super Heavy）助推器的最先进的碳纤维材料将被300系列不锈钢所取代。
即将测试飞行的“星舰”火箭刚刚在SpaceX位于德克萨斯州的发射场完成组装。这是一张未渲染过的真实图片。——Elon Musk（@elonmusk）2019年1月11日（来源 | twitter）
1月10日，马斯克在推特上发布了一张“星舰”测试版的照片——基本上是一架原型机，可用于亚轨道垂直起降（垂直起飞和着陆）的测试飞行，飞行高度约为16,400英尺，他称之为“啤酒花”。
自准揭幕以来，马斯克通过Twitter简短直接地回答了好奇的网友们提出的一些问题。但在公布前两周，他在位于加州霍索恩的SpaceX总部接受了《大众机械》主编瑞安·达戈斯蒂诺的独家采访。他非常详细地讲述了这一变化背后自己的想法。除此以外，他也谈及了更多的话题——我们很快就会给你呈现更多的内容。就目前而言，以下是他对这一重大变化的采访实录。
安·达戈斯蒂诺: 你一直在忙着重新设计星舰。
埃隆·马斯克： 是的。 星舰和“超重型”火箭助推器的设计改为用特殊的不锈钢合金。我对此考虑了很久。这种做法有点违反常理，我费了很大劲才说服团队朝着这个方向努力。但现在我相信他们对此深信不疑，是的，他们被说服了。我们曾经寻找一种先进的碳纤维结构，但进展非常缓慢。碳纤维成本为每公斤135美元，并且有大约35％的报废率——比如你切割纤维，其中一些就无法使用，所以实际成本接近每公斤200美元，而不锈钢则只有3美元。。它浸渍了高强度树脂，处理起来非常棘手，而且有60到120层。
如果你看一下高质量不锈钢的特性，印象中它不是最轻的，可是事实上它却是最轻的
瑞安·达戈斯蒂诺： 相比之下，不锈钢如何呢？
埃隆·马斯克： 对于不锈钢来说，违反常理的一点是，虽然很明显它便宜、进度也快很多，但印象中它不是最轻的。可是事实上它却是最轻的。如果你看一下高质量不锈钢的特性，不易发现的一点是，在低温下其强度会提高50％。
大多数钢在低温条件下会变得非常脆。你肯定也见过在碳钢上喷液氮的戏法——喷些液氮，然后用锤子打碳钢，它会像玻璃一样破碎。大多数钢都是如此，但对于铬镍含量高的不锈钢却并非如此。铬镍会增加了不锈钢的强度，并提高其延展性。所以，即使在零下330华氏度，这种不锈钢会有12％到18％的延展性，非常有韧性，非常坚固，没有碎裂问题。
断裂韧性指的是这样一种性质：如果某些东西有一个小裂缝，材料是会阻止裂缝，还是会导致裂缝扩散？因此，当经历重复振动的多个应力循环时，材料中的小缺陷会扩散多少？
所以，有些材料可以阻止自己裂缝。
瑞安·达戈斯蒂诺： 所以有些材料可以阻止自己裂缝。
埃隆·马斯克： 是的，比如陶瓷——像咖啡杯之类——很难阻止裂缝。一旦裂缝开始，就会像玻璃一样直至最后完全碎裂。然而根据金属类型的不同，某些金属具有比其他金属更好的断裂韧性，而断裂韧性可随温度而变化。从技术上来看，韧性是指应力-应变曲线下的区域。因此，当你对某个物体施加压力时，这个物体会有多大的应变，或者说物体会有多大的变形？这是一个重要的效益。
不锈钢是早期阿特拉斯计划中使用的材料。早期的阿特拉斯是一个钢制球罐。阿特拉斯计划的缺陷在于这种材料太薄，以至于它会在自身重量作用下坍塌。这是一个无法经久耐用的钢制气球，它会像一个充气城堡一样坍塌，甚至无法携带一个很小的有效载荷。早期的阿特拉斯有多个案例是真的在发射垫上坍塌造成的灾难。
不过，当你把它看做是可循环利用的飞行器时，我认为有一个很重要的技巧。看，这是钢的另一个优点：它具有高熔点，比铝高得多。虽然碳纤维不会熔化，但树脂在一定温度下会被破坏。所以通常铝或碳纤维的材料需要一个稳定的工作温度，大约被限制在300华氏度（约150摄氏度）左右。这个温度并不高，在这个温度以内只能进行一些短途旅行，或许可以超过一下限度，到350华氏度，再努力一下到400华氏度（约204摄氏度）。但是400华氏度的话，就真的到达极限了。材料会变弱，有些碳纤维虽然可以承受400华氏度，但是强度方面就会缩水。但钢铁可以达到1500～1600华氏度（816～871摄氏度）。
还有一件重要的事情会带来很大的不同
瑞安·达戈斯蒂诺： 你们有一个完整的冶金团队吗？
埃隆·马斯克： 我们确实有一个很棒的材料组，但最初我们会简单地使用高品质的301不锈钢。还有一件重要的事情会带来很大的不同。在上升过程中，你需要一些在低温下强度很高的东西；再入时，需要能够承受高温的东西。因此，隔热罩的质量由隔热瓦和空气框架之间界面处的温度决定。无论是机械的还是粘合在一起，不管接合点是什么，这决定了隔热罩的厚度。
例如，在龙飞船上，隔热瓦片的厚度实际上是由隔热罩传到壳体的粘合线上的热量决定的，而不是由隔热瓦的侵蚀程度决定的。它实际上是由隔热瓦到粘合线之间的导电性所决定的，所以在使用降落伞下降时，我们不会丢失隔热瓦。基本上没有人想丢掉隔热瓦。
如果使用钢材，就可以在1500 华氏度（816摄氏度）而不是300 华氏度（150摄氏度）的接口温度下自如地使用，因此在接口点的温度承受能力提高了5倍，这意味着，对于钢结构来说，后壳的背风侧不需要任何隔热设备。
在迎风面，我想做的是有史以来第一个再生隔热罩。像不锈钢三明治一样的双层不锈钢外壳，基本上有两层。实际上，你只需要两个与桁条连接的层。你可以在夹层之间放置水，然后在外层有微小的穿孔，非常微小的穿孔，除非靠近，否则根本看不到它们。这些微小的孔可以排水，等于是在使用蒸腾冷却来冷却火箭的迎风面。所以整件事看起来仍然是全铬质感的，就像摆在我们面前的这个鸡尾酒调酒器。但其中一方将是双层的并且具有双重目的，即加强机体的结构，使其不重蹈阿特拉斯命运的覆辙。你有一个隔热罩，它作为一个结构提供双重保障，就是这样。
据我所知，这种做法之前从未被建议过。
瑞安·达戈斯蒂诺： 据我所知，这种做法之前从未被建议过。这是一个巨大的变化。
埃隆·马斯克： 是的。
瑞安·达戈斯蒂诺： 钢材来自哪里？
埃隆·马斯克： 它就是301不锈钢。这么说吧，304不锈钢是人们制作罐子的材料，储量很多。
瑞安·达戈斯蒂诺： 这对你的进度有什么影响？
埃隆·马斯克： 它会加快进度。
瑞安·达戈斯蒂诺： 因为它更容易使用吗？
埃隆·马斯克： 是的。钢材非常容易使用。哦，我忘了提到，碳纤维每公斤135美元，报废率35％，所以差不多要每公斤200美元。但钢材每公斤只需3美元。
瑞安·达戈斯蒂诺： 这是一个好主意。
埃隆·马斯克： 是的。