技術(shù)上的許多最偉大的進(jìn)步可以追溯到卓越的特性，這些特性可以通過用金屬制造零件或合金化不同的金屬以獲得更優(yōu)質(zhì)的材料來實(shí)現(xiàn)。

除了材料本身之外，制造技術(shù)還從大約在公元前6世紀(jì)敲擊銅[1]演變到最近的鈦3D打印。

20世紀(jì)最大的進(jìn)步之一無疑是人類對(duì)太空的冒險(xiǎn)。運(yùn)載火箭將科學(xué)或商業(yè)有效載荷運(yùn)送到環(huán)繞地球的穩(wěn)定軌道中的要求非常復(fù)雜，并且通常與常見的工程應(yīng)用存在很大差異。

例如，結(jié)構(gòu)材料需要承受大的力時(shí)的最大空氣動(dòng)力學(xué)壓力在上升階段，低溫下在液體燃料系統(tǒng)中，高的溫度的燃燒和排氣部和氫脆[2]，在當(dāng)使用氫作為燃料。如果還不夠，那么所使用的所有組件都必須非常輕巧。運(yùn)載火箭無法接受大量零件的原因是基于火箭科學(xué)的基礎(chǔ)，即火箭方程。

為什么全部都是大眾

1903年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）將動(dòng)量守恒應(yīng)用于火箭，并提出了他的火箭方程[3]，如圖1所示。從該方程可以看出，火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

圖1：火箭方程的示意圖。整個(gè)燃料從初始狀態(tài)燃燒到最終狀態(tài)，導(dǎo)致火箭速度Δv發(fā)生變化。初始質(zhì)量和最終質(zhì)量之間的差異與排氣速度共同決定了火箭可以達(dá)到的速度。

火箭僅僅是運(yùn)輸系統(tǒng)，其唯一目的是傳遞有效載荷。通過以最高可達(dá)到的速度排出火箭推進(jìn)劑來實(shí)現(xiàn)該目的。到達(dá)低地球軌道所需的Δv約為8 km / s [4]。獲得這種Δv所需的推進(jìn)劑分?jǐn)?shù)在83-94％的范圍內(nèi)，具體取決于推進(jìn)劑的類型[5]。

質(zhì)量的其余部分（m f）由火箭的結(jié)構(gòu)材料和有效載荷共享。因此，火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量越低，對(duì)于給定數(shù)量的燃料，有效載荷的質(zhì)量就越高。

許多金屬具有高密度。由于無法將組件制造成無限薄，因此高密度材料通常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量零件。您可能會(huì)想知道，可用的低密度金屬，例如鋁， 鎂 和鋰呢？

所有這些金屬的確確實(shí)在某種程度上適用于空間結(jié)構(gòu)，但它們有一些共同的缺點(diǎn)。即，較低的熔點(diǎn)和較高的化學(xué)反應(yīng)性，使其不適合與低溫燃料或熱廢氣接觸的部件。復(fù)合材料和陶瓷具有很高的強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，但它們通常太脆而無法承受機(jī)械載荷。盡管密度相對(duì)較高，但要依靠一天來維護(hù)某些知名金屬，例如鎳，鉻，鈷和鐵。

最近，在接受Elon Musk采訪時(shí)，他強(qiáng)調(diào)了這些金屬的實(shí)用性，他宣布用不銹鋼而不是先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)來制造Starship和Super Heavy火箭助推器。在新設(shè)計(jì)中，不銹鋼301用于結(jié)構(gòu)材料和隔熱板的多功能集成。

從低溫到1100 K的寬工作溫度范圍，使該鋼勝過鋁和碳纖維結(jié)構(gòu)，并且在比較所需質(zhì)量的情況下使其成為三種中最輕的。

結(jié)構(gòu)，管道和水箱

通常，火箭結(jié)構(gòu)的最大質(zhì)量集中在推進(jìn)劑箱中，推進(jìn)劑箱通常也集成在一起以承受結(jié)構(gòu)載荷[6]。因此，推進(jìn)劑罐必須在低溫下承受適度的壓力，同時(shí)還要承受上升過程中機(jī)械負(fù)載的劇烈變化。常見的設(shè)計(jì)是堅(jiān)固的鋁合金外殼，即使不從內(nèi)部加壓也可以支撐自身的重量。

從歷史上看，2000系列鋁合金已被用于結(jié)構(gòu)儲(chǔ)罐。該材料系列由鋁銅合金組成，銅的重量百分比在0.9-6.3％的范圍內(nèi)[6,7]。

在這些合金中，金屬間化合物CuAl 2會(huì)起到增強(qiáng)作用，同時(shí)添加硅，鋰和微量的錳，鎂和鈦以改善可鍛性并抑制應(yīng)力腐蝕。鋁合金的一個(gè)有利特性是它們?cè)诘蜏叵碌目箯垙?qiáng)度提高，這使其對(duì)于這種應(yīng)用特別有吸引力。

為了將燃料從油箱供入發(fā)動(dòng)機(jī)并連接其他輔助加壓系統(tǒng)，使用了供油管線和管道。這些組件的金屬需要具有較高的延展性，以允許必要的曲率。同樣，在低溫下保持強(qiáng)度和延展性以及與傳導(dǎo)流體的化學(xué)相容性也很重要。

前面提到的氫脆對(duì)于管道特別重要。耐腐蝕的SUS321不銹鋼是火箭管的主要使用材料[8]。這種鋼富含鉻和鎳，并由0.3-0.7％的鈦穩(wěn)定。其他合適的材料是鎳基超合金Inconel718和不銹鋼A-218，它們都部署在航天飛機(jī)主機(jī)（SSME）中。表1概述了用于制造SSME的主要材料。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)–工程杰作

毫無疑問，發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭最脆弱的部分?；鸺紵抑械臒崽荻仁菬o法理解的：20 K的液態(tài)氫用于冷卻面對(duì)超過2000 K的廢氣的燃燒室內(nèi)壁[9]，整個(gè)距離都小于一毫米。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理非常簡(jiǎn)單。推力大約等于質(zhì)量流量乘以排氣速度。這兩個(gè)數(shù)量已針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的極端情況進(jìn)行了優(yōu)化。為了獲得高的質(zhì)量流量，每種推進(jìn)劑都應(yīng)配備專用的渦輪泵。

甲鈦基合金已被證明是用于渦輪泵葉片和外殼的理想材料。渦輪泵由部分推進(jìn)劑的燃燒提供動(dòng)力。燃燒產(chǎn)生的廢氣通過管道輸送到主燃燒室，在此與高壓推進(jìn)劑的主流混合。然后點(diǎn)燃混合物，使其膨脹，唯一的出路就是噴嘴的開口端。

圖2：SSME的推進(jìn)劑流程圖[10]。液態(tài)氫（LH 2）和氧氣（LOX）被用作推進(jìn)劑。部署兩個(gè)渦輪泵以實(shí)現(xiàn)高推進(jìn)劑流速，同時(shí)噴嘴和主燃燒室由液態(tài)氫冷卻。通過預(yù)熱推進(jìn)劑可以提高系統(tǒng)效率。

火箭噴嘴本身具有非常巧妙的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)源自基本的物理方程式。它由一個(gè)匯流段組成，排氣達(dá)到音速。在這一點(diǎn)上，熱氣體膨脹的特性變化和截面變寬（噴嘴橫截面積增加）變得有利，從而氣體加速到超音速，直到噴嘴退出。

該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的典型排氣速度約為4,000 m / s。噴嘴內(nèi)表面的熱負(fù)荷可以達(dá)到22 MW /m2[9]，與聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的熱負(fù)荷相當(dāng)，或太陽表面輻射熱通量的三分之一。 。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是主燃燒室。在操作過程中，那里的環(huán)境非常惡劣，以至于所使用的材料很可能首先失效，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障并可能導(dǎo)致任務(wù)失效。點(diǎn)燃時(shí)，冷卻通道和內(nèi)壁之間的壓力差約為20 MPa，約為大氣壓的200倍。主燃燒室壁的幾何形狀在圖3中以橫截面表示。

圖3：SSME主燃燒室的橫截面[11]。創(chuàng)新的銅合金NARloy-Z [12]被部署為通過用液態(tài)氫主動(dòng)冷卻來承受推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的巨大熱通量。

在討論了NARloy-Z是如何設(shè)計(jì)和特別增強(qiáng)的之后，您對(duì)如何減小增強(qiáng)效果有何猜想？必須記住合金與巨大的氧氣直接接觸。例如，如果由于排氣流中的某些湍流而使壁溫超過866 K，則銀開始凝聚，從而降低材料強(qiáng)度。

這樣的溫度還可以使氧氣大量擴(kuò)散到材料中，達(dá)到鋯完全被氧氣飽和并且金屬間化合物開始分解的程度[14]。

此時(shí)，兩種增強(qiáng)機(jī)制都將崩潰，并且由于施加的高壓會(huì)在材料內(nèi)形成裂紋。材料內(nèi)的裂縫充當(dāng)熱障，熱量無法有效地傳導(dǎo)至冷卻劑。因此，溫度進(jìn)一步升高。

一旦進(jìn)入這個(gè)惡性循環(huán)，組件故障就迫在眉睫，冷卻劑（液態(tài)氫推進(jìn)劑?。㈤_始泄漏到燃燒室中，而不會(huì)控制點(diǎn)火。這不是直接關(guān)鍵的，但整體發(fā)動(dòng)機(jī)效率將降低到無法再達(dá)到啟動(dòng)所需的Δv且啟動(dòng)失敗的程度。

盡管SSME是在1970年代和80年代開發(fā)的，但其技術(shù)仍在可預(yù)見的未來具有重要意義。據(jù)報(bào)道，SSME的可靠性為99.95％[15]，使其成為迄今為止世界上最可靠，最成功的液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這一事實(shí)加上其高且可節(jié)流的推力，促使NASA決定將航天飛機(jī)計(jì)劃的其余發(fā)動(dòng)機(jī)用于其新的太空發(fā)射系統(tǒng)，首次發(fā)射定于2020年。

金屬和高度優(yōu)化的超級(jí)合金使現(xiàn)代太空探索成為可能。然而，開發(fā)新型材料，尤其是復(fù)合材料[16]的可能性幾乎是無限的，并且將促進(jìn)新一代運(yùn)載火箭和航天器，它們比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)大和靈活。