原創(chuàng)：小賢

為了給星際飛船測(cè)試材料性能，SpaceX 連續(xù)4次嘗試把原型機(jī)加壓至爆炸，還是未能成功。

北京時(shí)間9月22日18時(shí)30分，SpaceX 對(duì)飛船原型機(jī) SN7.1最近的一次加壓測(cè)試宣告中止。來(lái)自全球數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的航天愛(ài)好者蹲守在直播間坐等爆炸發(fā)生，最終失望而歸。

在此之前，飛船經(jīng)歷了持續(xù)八個(gè)半小時(shí)的連續(xù)加壓，依然穩(wěn)穩(wěn)矗立在 SpaceX 飛船工廠的架子上。這已經(jīng)是 SpaceX 第四次嘗試把原型機(jī)加壓至爆炸。

對(duì)于星際飛船材料性能的測(cè)試而言，未爆炸或許象征著更大的成功。在此之前，SpaceX 對(duì)飛船的材料進(jìn)行了大范圍更換，而近期一系列的測(cè)試就是驗(yàn)證新的不銹鋼材料能夠承受飛船飛行過(guò)程中的高壓。在本月14、15日進(jìn)行的測(cè)試中，飛船原型機(jī) SN7.1已經(jīng)圓滿(mǎn)完成了預(yù)期的壓力測(cè)試。那之后，SpaceX 嘗試對(duì) SN7.1進(jìn)行更大壓力的測(cè)試，直至其爆炸，以給出飛船的極限能力。

圖 | 加壓測(cè)試

以不銹鋼顛覆航天材料

2019年9月，一場(chǎng)關(guān)于星際旅行的發(fā)布會(huì)在 SpaceX 位于得克薩斯的總部召開(kāi)，當(dāng)時(shí)最新的原型機(jī) MK1正式亮相，從那時(shí)開(kāi)始，一系列密集的測(cè)試展開(kāi)。

也是從那時(shí)開(kāi)始，到本月初的原型機(jī) SN6進(jìn)行低空飛行，SpaceX 都采用了301不銹鋼。

目前，SpaceX 正以前所未有的速度大量生產(chǎn)飛船原型機(jī)，同時(shí) SpaceX 嘗試在飛船結(jié)構(gòu)材料上進(jìn)行替換，將原本的301不銹鋼替換成304L 不銹鋼。304L 不銹鋼的碳含量更少，在部分性能上也更好，因此廣泛地用于制作綜合性能（耐腐蝕和可塑性）要求更高的設(shè)備和機(jī)件。

但這僅是一個(gè)理論結(jié)果，在星際飛船這樣的大工程上，用實(shí)際測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)材料性能才是王道。因此才有了主動(dòng)爆破一臺(tái)飛船原型機(jī)的一幕。

測(cè)試成功之后，后續(xù)的測(cè)試原型機(jī)以及最終的 Starship 飛船，都將改用304L 不銹鋼。

馬斯克曾發(fā)文表示，Starship 拋棄航天領(lǐng)域更加常用的碳纖維，采用不銹鋼材料制造，這是 SpaceX 又一個(gè)另辟蹊徑的做法。

馬斯克作為 SpaceX 的首席“工程師”，在這個(gè)重大路線上起著決定性的作用。正是馬斯克的堅(jiān)持，Starship 用上了不銹鋼——這種日常生活中的普通材料。

（來(lái)源：淘寶）

這個(gè)做法也不難理解，按馬斯克的介紹，碳纖維的價(jià)格是每公斤135美元，其中由于裁剪加工的原因，35% 的碳纖維都將成為廢料，因而材料成本達(dá)到了每公斤近200美元；而不銹鋼的價(jià)格則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前者，僅為每公斤3美元，堪比白菜價(jià)。

在 Starship 的早期研發(fā)中，SpaceX 曾經(jīng)鎖定一種先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)，但進(jìn)展非常緩慢。于是，馬斯克決定用不銹鋼替換碳纖維。這有點(diǎn)反直覺(jué)，但 SpaceX 的工程師團(tuán)隊(duì)最終還是被馬斯克說(shuō)服。

不銹鋼最大的優(yōu)點(diǎn)在于便宜，且易于制造。但在通常耗資以?xún)|計(jì)的航天任務(wù)中，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有多大的吸引力。而阻礙不銹鋼在航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要原因，則是材料本身比較重。在 “斤斤計(jì)較” 的航天發(fā)射中，每降低一公斤的重量，都意味著荷載能力的提升，意義重大。

更致命的原因，是不銹鋼的材料性質(zhì)問(wèn)題。我們知道飛船在高速穿過(guò)大氣層時(shí)，表層溫度能夠達(dá)到上千攝氏度；另一方面，火箭、飛船攜帶的燃料（其中有液氧），溫度卻低至 - 180°C。極端的溫度對(duì)航天器材料提出了極端的要求。

高溫問(wèn)題尚可通過(guò)隔熱層進(jìn)行保護(hù)，但多數(shù)不銹鋼在低溫情況下會(huì)變脆，比如典型的碳鋼，經(jīng)過(guò)液氮冷卻后，用錘子一敲打，會(huì)像玻璃一樣變得粉碎。

不銹鋼的這一特性并非不可改變：提升其中的鎳、鉻含量可以大幅提高材料的延展性，即使在零下165攝氏度條件下，鎳鉻含量較高的不銹鋼仍能表現(xiàn)得韌性十足，沒(méi)有斷裂的問(wèn)題。

其實(shí)，美國(guó)在幾十年前就曾在早期的 Atlas 項(xiàng)目上使用過(guò)不銹鋼材料。但當(dāng)時(shí)的缺陷在于，不銹鋼材料太薄，導(dǎo)致支撐性嚴(yán)重不足，甚至在自重作用下就會(huì)發(fā)生坍塌。用馬斯克的話(huà)說(shuō)，當(dāng)時(shí)的不銹鋼就像一個(gè)鋼鐵氣球，承受非常小的有效荷載仍然容易坍塌。

而 SpaceX 的做法是，將飛船用的不銹鋼做成雙層結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計(jì)了特殊的微孔，再用特殊的材料像做三明治一樣將不銹鋼粘合起來(lái)。這樣首先解決了材料的強(qiáng)度問(wèn)題，雙層不銹鋼讓艦體強(qiáng)度得以加強(qiáng)，解決了自重坍塌的問(wèn)題。

不僅如此，不銹鋼之間的微孔能夠在飛船數(shù)倍于音速的速度下，慢慢釋放水或燃料，這一過(guò)程在飛船飛行中能夠通過(guò)蒸發(fā)冷卻的原理，降低表面的溫度。

這是一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。馬斯克表示，雖然不銹鋼不算是最輕的，但已經(jīng)是最合適的材料選擇，如果再考慮到碳纖維所需要的特殊粘合手段，以及粘合劑本身的重量，采用不銹鋼成了一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)且成熟的方案。

把工業(yè)器件送上太空

不管是301不銹鋼，還是304L 不銹鋼，本質(zhì)上都是用成熟的工業(yè)級(jí)原材料替代宇航級(jí)原材料，原因只有一個(gè)：便宜。實(shí)際上，SpaceX 在宇航替代的路上，已經(jīng)走得相當(dāng)遠(yuǎn)了。

以電子器件為例，宇航級(jí)元器件是一種貴族般的存在。國(guó)內(nèi)頭部民營(yíng)衛(wèi)星公司九天微星曾發(fā)文介紹，航天器中的元器件需要經(jīng)歷苛刻的環(huán)境，除了發(fā)射時(shí)要禁得住劇烈的抖動(dòng)和很高的溫度，在繞地球飛行時(shí)，航天器還要經(jīng)歷高達(dá)270°C 的溫差。一只二極管只要上天驗(yàn)證成功，身價(jià)可以飆升上百倍甚至上萬(wàn)倍。

（來(lái)源：SpaceX）

而對(duì)于電子器件來(lái)說(shuō)，太空中的輻射可能更加致命，來(lái)自太空中的多種粒子都可能引起電子器件的異常，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，嚴(yán)重的甚至可以毀掉整個(gè)航天器。

但 SpaceX 出于成本的考量，沒(méi)有依賴(lài)昂貴的宇航級(jí)器件，而是盡量采用工業(yè)級(jí)元器件。

以過(guò)往載人飛船搭載的星載計(jì)算機(jī)和控制器舉例，單個(gè)控制器價(jià)格約為500萬(wàn)元人民幣，一共14個(gè)系統(tǒng)，為了追求高可靠性，每個(gè)系統(tǒng)1+1備份，一共28個(gè)控制器，成本總計(jì)約1.4億人民幣！

而 SpaceX 用工業(yè)級(jí)器件替代，將龍飛船主控芯片的總價(jià)降至約2.7萬(wàn)人民幣。成本相差約5000倍。

那么是如何實(shí)現(xiàn)的？據(jù) SpaceX 前火箭總師 John Muratore 透露，龍飛船一共有18個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)配置了3塊 X86芯片，單價(jià)僅為500元左右。

與此同時(shí)，SpaceX 把雙核拆成了兩個(gè)單核，分別計(jì)算同樣的數(shù)據(jù)。出于冗余的考量，每個(gè)系統(tǒng)配置3塊芯片共6個(gè)核做計(jì)算。

如果其中1個(gè)核的數(shù)據(jù)和其他5個(gè)核不同，那么主控系統(tǒng)會(huì)告訴這個(gè)核重新啟動(dòng)，再把其他5個(gè)核的數(shù)據(jù)拷貝給重啟的核，從而達(dá)到數(shù)據(jù)一直同步。周而復(fù)始，不讓一個(gè)核掉隊(duì)，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

事實(shí)上，用成熟的工業(yè)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的航天器件，已經(jīng)成為一個(gè)成本壓力之下的聰明選擇。SpaceX 如此，其他民營(yíng)航天公司也是如此。

而如何才能實(shí)現(xiàn)更多的替代，同時(shí)保證航天器可靠性，對(duì)民營(yíng)航天公司來(lái)說(shuō)已經(jīng)是航天商業(yè)化趨勢(shì)下的必然要求。在這一過(guò)程中，不斷用實(shí)際的測(cè)試、飛行任務(wù)來(lái)驗(yàn)證器件的可靠性，已是所有民營(yíng)航天公司的一大必修課。

遠(yuǎn)期目標(biāo)：火星

在大筆投入人才、資金的情況下，SpaceX 正走著一條不斷改進(jìn)、不斷測(cè)試的路線。而支持 SpaceX 這么做的一個(gè)重大原因，則是工廠里產(chǎn)能的提升。

馬斯克說(shuō)，如果你只是想造出一件東西，那可以由工程團(tuán)隊(duì)來(lái)完成。但如果數(shù)量更多的時(shí)候，就必須造出制造機(jī)器的機(jī)器。這也就是他所說(shuō)的飛船產(chǎn)線。

事實(shí)上，特斯拉的量產(chǎn)經(jīng)歷讓馬斯克獲得了不少擴(kuò)大產(chǎn)線的經(jīng)驗(yàn)，他將特斯拉產(chǎn)能爬坡時(shí)的經(jīng)驗(yàn)也放到 Starship 生產(chǎn)線的建設(shè)當(dāng)中。通過(guò)挑戰(zhàn)工作安排，SpaceX 的得州工廠開(kāi)始了7x24小時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

要讓這樣一個(gè)超大型飛行器脫離地球引力、進(jìn)入軌道，未來(lái)在火星著陸，然后返回地球，馬斯克當(dāng)然知道這不是一蹴而就的事情。在很長(zhǎng)時(shí)間里，他都相信，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一現(xiàn)實(shí)方法是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，不斷接近正確的設(shè)計(jì)。

“提升產(chǎn)量會(huì)解決許多問(wèn)題，”馬斯克說(shuō)，“如果生產(chǎn)率高，產(chǎn)品迭代率就高。幾乎所有的技術(shù)進(jìn)展都取決于迭代次數(shù)，以及每次迭代之間所取得的進(jìn)展。只有生產(chǎn)能力足夠強(qiáng)，SpaceX 才能完成更多的迭代，同時(shí)在迭代中不斷進(jìn)步?！?/p>

他表示，目前 SpaceX 正試圖打造一支龐大的艦隊(duì)，讓火星適合居住，使生命遍布多個(gè)行星。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，SpaceX 大概需要造出1000艘飛船，每艘飛船的有效載荷甚至比土星五型更大，更重要的是可以重復(fù)使用。

依然靜靜矗立在壓力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)、等待下一次爆炸試驗(yàn)的飛船原型機(jī) SN7.1，也許正是馬斯克邁向這一宏偉計(jì)劃的一小步。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的马斯克星际飞船爆炸试验中止！"高压锅"再次全身而退的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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