火箭为求轻质化,均以复合材料代替金属,为何Space X 反其道而行

现代航天科技飞速发展,首先得益于材料的进步。在航天领域,其水平的高低取决于材料的优劣。

众所周知,火箭的结构质量越小,其运载能力越大,这就要求火箭结构材料永远都会向轻质化发展。但Space X公司最近却做了一个反常的举动,该公司以不锈钢代替碳纤维材料做为火箭的壳体。

碳纤维复合材料

要想搞清楚Space X公司为何有此举,首先需要了解碳纤维材料在航天领域的重要作用。

在上世纪五六十年代,限于当时科技水平,普遍的以钢铁作为火箭的结构材料,导致火箭笨重,运载能力差。随后高强度镁铝合金的出现,改变了火箭对钢铁材料的依赖。

镁铝合金整流罩

但科技总是在向前发展,随后第一代复合材料——玻璃纤维复合材料的出现,彻底改变了火箭的金属命运。

虽然玻璃纤维复合材料比强度(强度与质量之比)虽比钢铁高很多,但仍然不能满足人类对火箭结构材料近乎变态的要求。

紧接着凯夫拉纤维复合材料的出现,代替了玻璃纤维复合材料的航天使命,其比强度是玻璃纤维复合材料的两倍有余。

凯夫拉纤维

尽管如此,人类还在不断地探究更加轻质化地复合材料,终于碳纤维复合材料横空出世,其性能远超凯夫拉纤维复合材料。而碳纤维复合材料也成当今世界上性能最优秀的航天材料。

最优异的航天材料——碳纤维

照常理而言,大名鼎鼎的Space X设计火箭,肯定要首选碳纤维复合材料作为火箭壳体,但为何Space X却舍弃碳纤维复合材料,选择与碳纤维相差数代的不锈钢材料呢?

我想这主要有两个原因:

第一,Space X设计的火箭为亚轨道往返重复使用火箭。

对于此火箭而言,仅仅在亚轨道飞行,对总体运载性能要求较低,无需使用高性能碳纤维复合材料,就可满足设计指标。

日本的火箭大量采用碳纤维材料

另外,该火箭设计为亚轨道飞行。众所周知,亚轨道的温度极低,可达零下数十度;但火箭在大气层内高速飞行时,由于气动加热,火箭外表温度很高,可达数百度。因此,要求火箭壳体材料有宽温域性能(即在较宽的温度范围内,力学性能良好)。而恰恰不锈钢的高、低温力学性能较好,碳纤维复合材料的高、低温力学性能都较差,其力学性能下降幅度较大(虽然其强度仍高于不锈钢,但已失去其超高强度的特点)。因此,选择不锈钢作为火箭壳体材料也未尝不可。

不锈钢材料

同时,该火箭为重复使用火箭,碳纤维复合材料性能虽好,但耐温度冲击反而不如不锈钢材料,因此,碳纤维复合材料多用于一次性火箭,重复使用的火箭选择金属材料更为合适。

第二,Space X是商业航天公司,其更加注重火箭的商业价值。

商业资本往往最看重眼前的利润,Space X公司虽然出众,但其仍是商业航天公司,对利润的关注程度远甚于科技本身。对其而言,科技是攫取利润的手段,而不是以金钱换取科技的发展与进步。该公司发展火箭回收技术是出于此目的,采用不锈钢作为火箭壳体是出于此目的。毕竟,碳纤维复合材料作为最高性能的航天材料,其价格也是相当昂贵的,而不锈钢材料随处可见,成本低廉。对于Space X而言,宁可让火箭笨重,也要节省成本,以最大程度的获取利润。

火箭回收

总之,Space X舍弃碳纤维,而选择不锈钢,并不代表科学发展潮流,仅仅是适合该公司的商业定位而已。