SpaceX已经走了很长一段路。在2000年代初，美国宇航局缺少载人前往火星的具体计划而感到震惊之后，著名企业家兼工程师埃隆·马斯克（Elon Musk）创立了SpaceX，以建立负担得起的太空通道。

在花了几年的时间设计，建造和测试了第一批私人研发的轨道火箭之后，猎鹰1号火箭第四次成功发射入轨，标志着私人太空运输的曙光。SpaceX凭借其成熟的功能，获得了NASA的大量合同，向国际空间站提供了飞行任务，为快速开发新的运载火箭提供了资金。

在众多实例中，成功使用轨道级火箭助推器和建造全球目前最强大的火箭“猎鹰重型”（Falcon Heavy）是SpaceX的一些杰出创新。埃隆·马斯克（Elon Musk）的目标是通过一项看似大胆的决定来延续这一成功之路。

在太空飞船的早期阶段被排除后，不锈钢现在已被选作SpaceX的Starship及其助推器Super Heavy的结构材料。

Starship和Super Heavy的结合旨在成为当前Falcon 9和Falcon Heavy运载火箭的继任者，包括从许多繁荣的Falcon 9发射中获得的广泛经验中吸取的所有教训。但是，“星舰”和“超级重型”的任务范围远远超过了“猎鹰9”，并且已经设计出了全新的设计以满足星际载人飞行任务的额外要求。

强度与密度–永恒的折衷

与铝合金和碳纤维增强聚合物（CFRP）（近几十年来在航空航天工业中使用的常规结构材料）相比，不锈钢由于其高密度而成为一种普遍不利的选择。在先前的文章中已经概述了材料密度的重要性，或更确切地说，是用于运载火箭的比强度的重要性。

本质上，火箭结构的低质量对于最大化可将给定数量的燃料输送到轨道的有效载荷的质量至关重要。

如果将比强度作为唯一考虑的标准，则与CFRP和铝合金相比，不锈钢确实是次优选择。但是，由于极端的环境条件，例如上升和重返期间的温度差异很大，其他物理量对于运载火箭也起着重要作用。

在星舰和超重型战斗机中使用的猛禽发动机的燃料组合是过冷的液态甲烷和液态氧。燃料过冷，即冷却到明显低于其沸点的温度，以增加其密度并在燃料开始沸腾并增加油箱压力之前具有安全度。

为了避免油箱压力达到可能导致油箱破裂的临界水平，必须通过阀门将蒸发的燃油清除掉，并且不再可用于燃烧。

在油箱内，燃料以大约三倍大气压的压力存储。较高的增压将提供稍高的燃料密度，但反过来又需要相当大的油箱结构，这使得该选择没有吸引力。

对于配备有通过摩擦搅拌焊接法制造的铝-锂合金储罐的Falcon 9，通过将储罐填充到尽可能接近车辆发射的位置来解决沸腾问题。由于泡沫将增加大量的额外质量，因此取消了用泡沫对储罐进行的隔热。

仅几毫米的油箱壁将大约66 K [2]的燃料与大约293 K的大气温度分开。用于先前油箱设计的铝-锂合金的热导率大约是热导率的四倍的SUS301不锈钢。在这种情况下，低的热导率有利于防止热量从环境快速传导至低温燃料。

因此，不锈钢消除了对额外绝缘的需求，并在火箭加油和实际发射之间提供了更宽的时间窗口。

使用温度是决定因素

到目前为止，材料选择的考虑重点是在车辆发射之前和发射过程中的条件。但是，与低温燃料和巨大的机械应力相比，完全可重复使用的航天器所面临的条件更加恶劣。该飞船的设计目的是能够进行一次火星的行星际往返。这个设计目标的意义是深远的。

早期对火星的访问表明，进入火星大气层的速度约为21,000 km / h [3]。为了最大程度地减少执行任务所需的燃料，在进行最终着陆燃烧之前，会使用大气阻力来降低车辆的速度。但是，火星大气层的密度仅为地球大气层的一百分之一，相比之下，阻力很小。因此，需要航天器的非常大的攻角以将最大可能的表面积用于高超音速制动操纵。

在进入大气的声音的速度17次可导致高达2000的K的温度下在车辆上的面对风侧。即使是最好的CFPR材料，在树脂崩解之前，复合材料的强度也会迅速下降，从而导致结构破坏，因此最多只能承受480K。要使CFPR的温度保持在其工作范围内，就需要使用大量的隔热层。

这就是不锈钢最大的优势所在。使用不锈钢，可以将温度范围扩大到1100K。这大大降低了隔热的要求。此外，埃隆·马斯克（Elon Musk）提出了将诸如储罐结构和隔热板之类的多个组件集成为一体的概念，使不锈钢成为该特定应用的理想材料。

从上图可以看出，只有技术陶瓷和钨合金才能提供比不锈钢更高的工作温度。尽管钨合金太过致密，但工业陶瓷通常具有严重的脆性，由于容易破裂/破裂，将其用于重复的机械负载太危险。这些陶瓷在破裂前仅产生很小的应变。

不锈钢，特别是在高温下，可以通过塑性变形消除机械应力，并且在断裂之前可以承受许多应力循环。

所有能量传给隔热罩

甚至埃隆·马斯克（Elon Musk）提出的301不锈钢也无法在大气进入过程中承受极端温度。因此，正在考虑通过水或液态甲烷的渗入进行主动冷却的概念，以将钢的温度保持在其运行限制之内。

详细地，液体将被泵送至车辆上风向侧的两块钢板之间，并通过小孔到达表面。从而，液体将获得热量并蒸发，从而导致显着的冷却效果以及热量从车辆的散逸。蒸发的冷却剂随着来自大气的热气流而流失。

在这种情况下，隔热的概念优于磨料隔热，因为在第二次发射和进入之前不需要维护或翻新。只需补充水/甲烷，这在火星上是可能的。

隔热砖的设计采用六边形排列，以避免热气体在进入阶段中通过间隙加速的直线路径。在最近的一条推文中，马斯克展示了成功测试高达1650 K（非常接近301不锈钢的熔点）的六角形瓷砖的方法。但是，主动冷却技术未在测试中应用，可以预见的是可以冷却瓷砖的关键区域。

以下视频“测试Starship隔热六角砖”。

成本在空间工程中的意义

从历史上看，航空工程的要求如此严格，以至于成本通常是设计标准中最低优先级之一。无论材料多么稀有，制造起来多么困难和昂贵，只要能够完成工作，就很可能会选择它。但是，随着太空商业化的发展以及每年发射次数的急剧增加，这不再是事实。

早期设计中使用的CFRP的原材料成本约为每公斤135美元。此外，从原材料制造零件的机械加工会产生约35％的报废率，最终零件的实际材料成本约为每公斤200美元。相比之下，不锈钢的价格仅为每公斤3美元，可将成本降低近两个数量级。

通常，将一公斤有效载荷发射到太空的成本远远超过运载火箭的结构材料的成本。尽管如此，对于CFRP而言，用不锈钢可以实现的极端降低成本是决定的另一个重要因素。毕竟，SpaceX打算建造一支由星舰和超重型组合组成的舰队，以服务多个市场，而不仅仅是追求火星的殖民化。

先进的结构：Isogrid和Octaweb

在将空间工程推向极限的过程中，SpaceX选择了一些经过验证的概念，并对其进行了修改，使其更易于翻新或更便宜，同时保持了可比的功能。这种方法的一个例子是等距结构[5]，它在许多运载火箭和卫星设计中经常遇到。

独特的等距图案用于增强材料的强度重量比。由此，增加了抗屈曲的能力。对于诸如阿特拉斯（Atlas）火箭这样的早期火箭设计而言，屈曲是一个主要问题，由于其极薄的油箱壁，该火箭曾因自重而坍塌（下图）。等距网格线是工字梁的交织图案，可增加整体结构的刚度并减少所需的材料量。

除了其诱人的特征外，等距结构的制造极其昂贵。制造这种结构的常用方法是从一块厚金属开始，然后用计算机数控将其加工下来。该技术导致浪费率达到95％。由于这个原因，SpaceX没有使用典型的等距结构，但是在搅拌焊接的加强桁条上获得了类似的效果。

SpaceX另一个令人印象深刻的设计是Octaweb。Octaweb是承受机械负荷的主要结构，位于猎鹰9号火箭的底部。这种结构载有九个发动机的阵列，并通过提供保护架来保护每个发动机免受其他发动机的损坏。Octaweb由高强度铝7000系列材料制成，并用螺栓固定，与以前的焊接设计相比，翻新起来更容易，更快捷。

继“星舰”和“超重型”的设计和测试之后，它本身就是一次冒险。本文介绍了一些设计功能的最新发展及其背后的原因。然而，历史证明，SpaceX遵循不断寻找替代解决方案的理念，并且如果能够提供出色的性能/可靠性或降低成本，则可以毫不犹豫地考虑和实施重大的设计变更。

预定在2019年使用原型“漏斗”车对星际飞船设计进行首次测试，不锈钢将与它们一起闪亮地卷土重来.