بیایید برخی از جزئیات را به اشتراک بگذاریم
از فیبر کربن تا فولاد
در مراحل اولیه برنامه استارشیپ (که قبلاً BFR نام داشت)، اسپیسایکس در ابتدا قصد داشت از کامپوزیتهای فیبر کربن پیشرفته استفاده کند. با این حال، در اواخر سال ۲۰۱۸، ایلان ماسک از یک چرخش اساسی به سمت ... خبر داد.فولاد ضد زنگ 304Lبرای درک دلیل آن، باید به محیطهای حرارتی خاصی که یک فضاپیما با آن مواجه است نگاه کنیم: سرمای شدید ناشی از ذخیرهسازی اکسیژن/متان مایع و گرمای شدید ناشی از ورود مجدد به جو.
مشکل فیبر کربن
اگرچه فیبر کربن فوقالعاده سبک است، اما دو ایراد عمده برای یک موشک با قابلیت تکرار سریع دارد:
هزینه:هزینه تقریبی فیبر کربن۱۳۵ تا ۲۰۰ در هر کیلوگرمو میزان ضایعات در طول قالبگیری پیچیده میتواند تا 20٪ باشد.
شکنندگی حرارتی:فیبر کربن در دماهای بالاتر از ... شروع به تخریب یا "ضعیف شدن" میکند.۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگرادبرای یک وسیلهی نقلیهی بازگشتپذیر، این امر مستلزم یک سپر حرارتی عظیم و سنگین است.
در مقابل،فولاد ضد زنگ 304Lهزینهها تقریباً۲.۵۰ تا ۴.۰۰ در هر کیلوگرم، و تقریباً آن را۵۰ تا ۶۰ برابر ارزانتراز فیبر کربن بیشتر است.
تقویت قدرت برودتی: مزیت "L"
حرف "L" در304 لیترمخفف عبارت است ازکربن کم(حداکثر ۰.۰۳٪) که قبلاً به عنوان مادهای ضروری برای جوشکاری مورد بحث قرار دادیم. اما برای اسپیسایکس، مهمترین نکتهی داده، رفتار ماده در دماهای برودتی (-۱۹۶ درجهی سانتیگراد) است.
استحکام در دما
بیشتر فلزات در دمای نیتروژن مایع یا اکسیژن مایع بسیار شکننده میشوند - آنها مانند شیشه در اثر ضربه خرد میشوند. با این حال، فولادهای ضد زنگ آستنیتی مانند 304L در واقع شکننده میشوند.قویتر و سرسختترهمانطور که آنها سردتر میشوند.
- در دمای اتاق (20درجه سانتیگراد):استحکام تسلیم تقریباً۲۰۰–۲۵۰ مگاپاسکال.
- در دمای کرایوژنیک (-196درجه سانتیگراد):قدرت بازده میتواند به شدت افزایش یابد۴۰۰–۶۰۰ مگاپاسکالو شکلپذیری آن (توانایی کشش بدون شکستن) به طور قابل توجهی بالا باقی میماند.
با استفاده از مخازن سوخت (پر از پیشرانهای زیرخنک) به عنوان سازه اصلی، اسپیسایکس از این افزایش مقاومت «آزاد» برای جبران جرم بیشتر فولاد استفاده میکند.
ورود مجدد و ظرفیت حرارتی
دلیل دوم انتخاب فولاد ضد زنگ 304L توسط اسپیس ایکس، به جنبه «داغ» ماموریت مربوط میشود. وقتی استارشیپ وارد جو زمین میشود، لبههای جلویی آن با دمایی بیش از ... مواجه میشوند.۱۴۰۰ درجه سانتیگراد.
دمای عملیاتی بالاتر
در حالی که آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم (که در فالکون ۹ استفاده میشوند) در حدود ... تمامیت ساختاری خود را از دست میدهند.۱۵۰ درجه سانتیگرادفولاد ضد زنگ 304L میتواند به راحتی در دماهای تا ... کار کند.۸۰۰ درجه سانتیگرادقبل از اینکه استحکام تسلیم آن به طور قابل توجهی کاهش یابد.
- ظرفیت گرمایی ویژه:فولاد ضد زنگ ظرفیت حرارتی بالایی دارد، به این معنی که میتواند قبل از افزایش دمای خود، انرژی گرمایی بیشتری را جذب کند.
- حداقل محافظت حرارتی:از آنجا که فولاد میتواند «گرما را جذب کند»، کاشیهای محافظ حرارتی سرامیکی روی استارشیپ میتوانند بسیار نازکتر و سبکتر از کاشیهای مورد نیاز برای یک فضاپیمای فیبر کربنی یا آلومینیومی باشند. در برخی مناطق، فولاد حتی میتواند بدون پوشش باقی بماند.
سرعت تولید
در صنعت هوافضا، «وقت طلاست». مخازن موشک سنتی از بلوکهای غولپیکر آلومینیوم ساخته میشوند یا در اتوکلاوهای عظیم پخته میشوند. 304L امکان تغییر الگو در تولید را فراهم میکند:رویکرد برج آب.
مقیاسپذیری دادهها
- جوشکاری در مقابل اتصال:فولاد 304L با استفاده از جوشکاری استاندارد TIG یا قوس پلاسما به خوبی جوش داده میشود. اسپیس ایکس میتواند یک حلقه 1.8 متری را در عرض چند ساعت جوش دهد.
- ساخت فضای باز:برخلاف فیبر کربن که به محیط اتاق تمیز و کنترل دقیق رطوبت نیاز دارد، 304L را میتوان در فضای باز و در باد جنوب تگزاس جوشکاری کرد. این امر به اسپیسایکس اجازه داد تا «استارهاپر» و نمونههای اولیه SN را با سرعتی که در تاریخ فضا بیسابقه بود، بسازد.
مقاومت در برابر خوردگی در هوای نمکی
استارشیپ پرتاب و فرود آمدبوکا چیکا، تگزاس، یک محیط ساحلی با غلظت بالای کلرید. همانطور که در مطالعه قبلی خود در مورد 304L در مناطق ساحلی تجزیه و تحلیل کردیم، هوای نمکی یک تهدید دائمی است.
با این حال، به دلیل اینکه اسپیس ایکس از ... استفاده میکند304 لیتر، آنها از موارد زیر بهره مند می شوند:
حفاظت غیرفعال:محتوای ۱۸٪ کروم تضمین میکند که حتی با وجود ساختار خشن به سبک کشتیسازی، موشک بین پرتابها زنگ نزند.
سهولت تعمیر و نگهداری:هرگونه «لکه چای» که بر اثر هوای نمکی روی سطح ایجاد شود، میتواند به راحتی تمیز یا صیقل داده شود، بدون اینکه به یکپارچگی ساختاری بدنه ۴ میلیمتری آن آسیبی وارد شود.
مقایسه 301 در مقابل 304L
جالب اینجاست که اسپیس ایکس در ابتدا آزمایشهایی را انجام دادفولاد ضد زنگ 301که نرخ کارسختی بالاتری دارد. با این حال، آنها در نهایت به سمت یک نسخه سفارشی از304 لیتر.
چرا تغییر؟
در حالی که فولاد 301 در نورد سرد قویتر است، فولاد 304L مقاومت بهتری ارائه میدهد.راندمان اتصال جوشدر یک موشک، ضعیفترین نقطه معمولاً جوش است. از آنجایی که 304L کمتر مستعد رسوب کاربید (حساسیت) است، "منطقه تحت تأثیر حرارت" جوش تقریباً به اندازه فلز پایه قوی باقی میماند و تضمین میکند که مخزن تحت فشار بالای خوراک پیشران موتورهای رپتور منفجر نشود.
مقایسه فنی
| درجه | استحکام تسلیم (20ج) | قدرت تسلیم (-196ج) |
| آلومینیوم-لیتیوم (2195) | ~550 مگاپاسکال | ~650 مگاپاسکال |
| فولاد ضد زنگ 304L | حدود ۲۵۰ مگاپاسکال | ~550+ مگاپاسکال |
در حالی که آلومینیوم ۲۱۹۵ در دمای اتاق قویتر است، آلومینیوم ۳۰۴L تقریباً این فاصله را در دماهای برودتی پر میکند و در عین حال شکلپذیری بسیار بالاتری را حفظ میکند.
نتیجهگیری
انتخابفولاد ضد زنگ 304L برای استارشیپیک کلاس استادی در مهندسی "اصول اولیه" است. با فدا کردن کمترین جرم مطلق (فیبر کربن)، اسپیس ایکس به موارد زیر دست یافت:
- قدرت عظیم در -196℃برای بارگیری سوخت.
- نقاط ذوب بالابرای ورود مجدد ایمنتر به جو.
- ۹۵٪ کاهش هزینهدر مواد اولیه.
- سرعت تکرار نامحدودبا استفاده از تکنیکهای جوشکاری صنعتی رایج.
اسپیسایکس ثابت کرده است که در تلاش برای مریخ، بهترین ماده همیشه عجیب و غریبترین نیست - بلکه مادهای است که به شما امکان میدهد سریع شکست بخورید، سریع یاد بگیرید و در مقیاس بزرگ بسازید.
آماده دریافت اطلاعات بیشتر
زمان ارسال: ۱۶ آوریل ۲۰۲۶
