Почему новая сверхтяжелая ракета от SpaceX будет из железа,а не алюминия или углеволокна.
В январе Илон Маск написал в своём твиттере, что ракета, известная как BFR, будет построена из нержавеющей стали, а не из углеродного волокна, как планировалось ранее. И в этом эксклюзивном интервью (дата публикации: 22 января 2019 года) Илон расскажет главному редактору Popular Mechanics Райану Д'Агостино, почему он на это пошёл.
В общем, SpaceX создаёт огромную ракету из нержавеющей стали. Насколько мы знаем, это будет первая попытка сконструировать стальную ракету со времён программы Atlas 1950-х годов.
10 января Маск затвитил фотографию тестовой версии Starship - по сути прототип, способный на суборбитальные полёты VTOL (вертикальный взлёт и посадка). Маск называет это прыжками. Технологический макет корабля Starship способен достигать высоты ~5 км.
Маск кратко ответил на некоторые вопросы любопытных космических энтузиастов в твиттере. Однако за 2 недели до объявления Илон встретился с главным редактором Popular Mechanics Райаном Д'Агостино (RD) в штаб-квартире SpaceX в Хоторне, Калифорния, для эксклюзивного интервью, в котором подробнейшим образом рассказал, что за грандиозные изменения нас ожидают.
RD: Вы были заняты редизайном Starship?
EM: Да. Я изменил дизайн Starship и ускорителя Super Heavy на дизайн из специального сплава из нержавеющей стали. Я обдумывал этот шаг в течение некоторого времени. И это отчасти контринтуитивно. Мне понадобилось немало усилий, чтобы убедить команду пойти на такое. Но сейчас я считаю, что мне удалось их убедить. Раньше мы упорно пытались разработать продвинутую структуру из углеродного волокна, но разработка шла слишком медленно, да и стоимость за кг составляла $135. К тому же процент отходов достигал 35% — вы отрезаете материал, и часть от него вы уже не сможете использовать. Материал пропитывается высокопрочной смолой, а это не так уж и просто, ведь слоёв от 60 до 120.
RD: В чём особенность нержавеющей стали?
EM: Интуитивно это понять сложно, но нержавеющая сталь очевидно дешёвая и быстрая в производстве, но не очевидно то, что она легче остальных материалов. Но она действительно легче. Если вы посмотрите на свойства высококачественной нержавеющей стали, то заметите, что там кроется важная деталь: при криогенных температурах прочность увеличивается на 50 %.
При достижении криогенных температур большинство сплавов стали становятся очень хрупкими. Вы наверняка видели трюк с обычной углеродистой сталью: если налить на неё жидкий азот, а после ударить молотком — сталь разобьётся, как стекло. Это свойственно большинству сплавов стали, но не для нержавеющей стали с высоким содержанием хром-никеля. Они увеличивают прочность, сохраняя при этом высокую пластичность. Получается, что у вас остаётся около 12—18% пластичности при, скажем, -200°С. Большая пластичность и прочность. И никаких трещин.
Вязкость — это свойство материала сдерживать трещину при её возникновении или же способствовать её дальнейшему распространению. То есть, зная вязкость, можно предсказать, насколько сильно продолжит расти (или же её рост остановится сам по себе) небольшая трещинка в материале при множественных повторяющихся циклах вибраций и нагрузок.
RD: То есть некоторые материалы могут останавливать распространение трещин?
EM: Да. Ну, например, керамика — как кофейная чашка — плохо сдерживает трещины. Для каждого металла свой показатель вязкости: для каких-то металлов он велик, для каких-то нет, и этот показатель может варьироваться в зависимости от температуры. Технически вязкость — это площадь под кривой напряжение-деформация. То есть, эта кривая отображает зависимость между напряжением при нагрузке на материал и его деформацией. Это важная характеристика.
Нержавеющую сталь использовали на ранних этапах программы Atlas. Изначально Atlas напоминал стальную цистерну. Недостаток заключался в том, что толщина корпуса была настолько мала, что он мог разрушиться под тяжестью собственного веса. Он даже не мог вертикально стоять — проваливался, как надувной замок. Даже небольшую полезную нагрузку нельзя было размещать — немало случаев было, когда Атласы буквально разрушались прямо на стартовой площадке, вызывая катастрофические последствия.
Ещё одно преимущество нержавеющей стали становится очевидным, когда вы рассматриваете её в качестве материала для ракеты, которая, как предполагается, будет производить повторный вход в атмосферу. Дело в том, что у стали высокая температура плавления. Она гораздо выше, чем у алюминия, и хоть углеродное волокно не плавится, при определённой температуре разрушается смола. Поэтому, как правило, для алюминия или углеродного волокна ограничение для постоянной рабочей температуры:150°С. Это не такая уж и высокая температура. Можно на небольшой промежуток времени превысить этот лимит до 177°С, а вот 200°С — уже перебор, так как материал слабеет. Есть типы углеродного волокна, которые выдерживают 200°С), но в этом случае наблюдается сильное падение прочности. А сталь выдерживает температуры в 816-871°С.
RD: У вас целая команда металлургов?
EM: У нас есть отличная команда, занимающаяся разработками материалов, но сначала мы будем просто использовать высококачественную нержавеющую сталь марки 301. Есть ещё один важный нюанс, который играет важную роль. При взлёте необходим материал прочный при криогенных температурах, а при входе в атмосферу нужен материал, способный противостоять высоким температурам. Таким образом, масса и толщина теплозащитного экрана зависит от температуры на границе раздела между плитами теплозащитного экрана и корпусом. Например, на корабле Dragon толщина теплозащитного экрана фактически зависит от количества тепла, проникающего от экрана до самого корпуса корабля.
Так что дело не в разрушении плиты теплозащитного экрана, а в теплопроводности между плитой и линией соприкосновения с корпусом корабля. Что касается стали, то её спокойно можно использовать при температурах в 816°С вместо, скажем,150°С. То есть подветренная сторона стальной ракеты не нуждается в теплозащитном экране.
По поводу наветренной стороны — у нас будет первый в мире регенеративный теплозащитный экран. Корпус из нержавеющей стали с двойными стенками, словно стальной сэндвич, по сути, с двумя слоями, соединёнными стрингерами. Между слоями сэндвича будет протекать либо топливо, либо вода, а впоследствии вытекать через микро-перфорации снаружи. Издалека их не увидеть, только если подойти вплотную к кораблю. Ракета и корабль будут выглядеть полностью хромированными, прямо как этот коктейльный шейкер перед нами. Но одна сторона будет с двойными стенками. Это послужит ещё и для укрепления корпуса, чтобы его не постигла судьба Атласа. То есть у нас будет теплозащитный экран, который также будет служить как часть конструкции.
Даа. Насколько мне известно, раньше такого ещё никто не делал.
RD: Да, это колоссальное изменение.
EM: Да.
RD: Откуда будете брать сталь?
EM: Это обычная нержавейка марки 301. Скажем так, из нержавейки 304 делают кастрюли. Её много.
RD: Как это изменение повлияет на ваше расписание?
EM: Это нас ускорит.
RD: Потому что со сталью легче работать?
EM: Да, с ней очень легко работать. Оу, чуть не забыл упомянуть: углеродное волокно стоит $135 за килограмм, а если ещё учитывать 35%-ые отходы, то стоимость за килограмм приближается к $200. А сталь стоит $3 за килограмм.
