航天爱好者|为什么说Starship(星舰)的贮箱试验是基本成功,而不是圆满成功?圆满成功为什么很难?【原创短评】

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前几天的Starship(星舰)贮箱低温强度试验中,SpaceX的9米直径试验贮箱在充满液氮的条件下挺到了8.5bar后才轰然爆裂(图1),相对于飞行状态下最大6bar的贮箱内压,安全系数为(Factor Safety)1.41,刚好超过了NASA以前要求的1.4的载人级运载火箭贮箱强度储备要求,更远远超过了货运运载火箭所需的1.2左右的安全系数。

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其实呢,1.4的载人安全系数现在已经内化为SpaceX自己的技术要求,早年是在NASA的文件NPR 8705.2《Human-Rating Requirements for Space Systems》中所出现,但后来NASA删去了这个明确要求,但SpaceX仍然据此执行。作为参照,而民用电梯钢丝绳的安全系数竟然高达11,也就是说只要空间允许,你承载标准载重的11倍才会拉断钢丝绳。而航空业的安全系数要求是1.5,之所以载人火箭不按照1.5要求是因为航空业为这0.1的进步付出了巨大的代价,这是火箭难以承受的。早年SpaceX就开始执行类似的标准,详见早期的抛物线网的介绍(图2)。

那么现在Starship SN-1是否可以正式开建了呢?答案是完全可以!事实是SpaceX也已经这样做了,SN-1的贮箱前后底已经制造完成,同时据NSF内线消息,所配备的三台全新猛禽(Raptor)发动机也已经准备完毕,但是否为最新迭代版本尚未可知。由此可见,确如马吹吹所言,猛禽的进度在星舰前面,我们应该很快就可以看到Starship SN-1拔地而起了。

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但为什么说不是圆满成功呢?还是老原因,从图片3来看,爆裂和上一个贮箱类似,依旧是沿着环形焊缝裂开,只不过这回换成了下底而已,还是焊缝强度低于母材的结果。但事实上,不同于上次的常温强度试验,这次在液氮(-196.56℃)的温度下做强度试验,如果做到了母材爆裂而焊缝完好,那这种贮箱在内压耐受部分可以说是完美了。

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但低温下如果焊缝要强于母材比常温更难!因为马吹吹也提到了,301不锈钢作为一种典型的奥氏体不锈钢,他在低温下强度会几乎翻倍(见图4)。

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但是这个低温下强度为啥会翻倍呢?我真好信搜索了一下,在外网找到了几份技术报告,其中NASA于1964年出版的一份技术报告最有代表性。名为《低温成型301不锈钢制低温压力容器的拉伸试样试验》(Tensile Coupon Tests of Cryoformed AISI 301 Stainless-Steel Pressure Vessels at Cryogenic Temperatures)(图5)。报告中设计了一种由低温成型301不锈钢制成的贮箱(详见图6),抽取了其中几个部位做成了拉伸试样(图5右侧为拉伸试样),分别在液氢(-252.78℃)、液氮(-196.56℃)、常温三种温度下进行了拉伸试验,得到不同材料在不同温度下的强度,然后通过拟合求得材料强度随温度的变化曲线。其中最具代表性的是图7,可以看到作为对照,作者选取了红圈中两种不同压下量的冷轧不锈钢(Cold-Rolled,这就是星舰所用钢板的处理方式)对照。图中纵轴为极限强度(也可以叫抗拉强度),意指试样断裂时所受力,横轴是温度,开氏度。下面两个小红圈就是两种冷轧不锈钢在常温和液氮温度下的强度,随着温度的下降明显可见试样的极限强度从大约150ksi暴增至275ksi以上,几乎翻倍,和马吹吹的推特一致。

我们可以再看,图7中最下面作为对照的304不锈钢不但强度和301相差一截,而且在液氮低温下,强度的上升幅度也小,相对而言确实不太适合用于贮箱。而液氮的沸点(-196.56℃)和星舰所用的液氧(-183℃)、甲烷沸点(-161.5℃)相近,基本可以代表最终贮箱的情况。

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那么综上,结论就是填充液氮的低温强度试验下,贮箱筒段的强度几乎翻倍,焊缝(图8)如果在这种情况下还想强于母材,那真是难上加难。具体到焊缝强度,我也搜到了低温下焊缝强度试验的资料,但是条件不同不好比较。

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我估计肯定有人纳闷了,不锈钢低温压力容器很成熟,满大街都是的东西咋到了SpaceX这里就这么难呢?这问题NSF也有人问到,为啥SpaceX不去采购?其实这东西的确很成熟,就说国内,早年的国标GB-150《钢制压力容器》(图9)推行这么多年,按标准设计早就货架化了。但问题是,运载火箭的贮箱是一个矛盾体,需要在轻薄和高强之前取得完美的平衡,民用钢制压力容器里,壁厚有这么薄的(4mm)但没这么大,有这么大的(9米直径)但远比这个重,有这么大和这么薄的又不需要飞出大气层,所以最后只能自己搞,摔些跟头是很正常的。

好在这个坎暂时过去了,可以继续建飞船了。

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THE END
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