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[工程技术]为什么以前的科学家连尝试都没有就否定了用不锈钢做火箭的可能性？ |
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科学研究最重要的品质之一不就是勇于尝试，大胆假设小心求证嘛，在马斯克之前为什么没有科学家验证下用不锈钢做火箭的可能？而是想办法找昂贵的新材料 |
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“半人马座”上面级：？ 现在向您走来的是由不足1毫米厚，3米直径的301不锈钢组成的超薄火箭储箱，什么？你说易拉罐？这玩意儿的壁厚和直径的比例岂是易拉罐这种费拉不堪的东西能形容的！ 你要说它是气球，气球储箱。易拉罐可以空着对吧，气球不充气就直接瘪了。没错，这种储箱平时储藏的时候要充氮气，否则就会被自重压垮。 |
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不锈钢气球，爱来自1960s |
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不是那样。SM-65“阿特拉斯”弹道导弹的外壳就是不锈钢。 |
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SM-65 1957 年 12 月 17 日，SM-65“阿特拉斯”弹道导弹首次试射成功。美国制造了约 350 枚“阿特拉斯”导弹。许多“阿特拉斯”导弹被改装为运载火箭一级，发展为“阿特拉斯”火箭家族。 与后来的 SpaceX“星舰”不同，“阿特拉斯”导弹的不锈钢外壳非常薄，需内部充氮加压来维持形状。该导弹外壳不涂油漆以减重，以 WD-40 防锈[1]。 |
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SM-65A 导弹，1958 年 1958 年 12 月 18 日，美国用序列号 10B 的 SM-65B“阿特拉斯”弹道导弹发射了 SCORE[2] 卫星。 |
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搭载 SCORE 卫星的 SM-65BSCORE 卫星在轨运行了 35 天，它是当时在轨的最重的人造物体，是第一颗语音中继卫星，是太空中第一个容易用肉眼看到的人造物体——该卫星的外壳有很大比例是抛光的不锈钢。 |
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SCORE 卫星（备用有效载荷）https://airandspace.si.edu/collection-objects/communications-satellite-score/nasm_A20030091000 1962 年到 1963 年，美国用 SM-65D“阿特拉斯”弹道导弹改装的“阿特拉斯”LV-3B 运载火箭四次执行“水星计划”载人航天任务。 |
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“水星计划”，两枚红石弹道导弹改的火箭、四枚阿特拉斯弹道导弹改的火箭 阿波罗飞船/土星 5、双子座飞船/泰坦 2 GLV、水星飞船/阿特拉斯 LV-3B： |
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参考^隔水防锈是 WD-40 的设计用途。后来，人们发现 WD-40 还能用于轻度润滑、溶剂、除胶、清洁剂等用途。^Signal Communications by Orbiting Relay Equipment |
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我记得马氏体时效钢是一种传统的火箭外壳材料。 补充：为啥马斯克要用钢的？因为人家上面级需要回收，有再入加热的问题，别的材料不能满足足够的耐热要求。而以前的火箭是一次性的，不需要回收，所以选择余地要大的多。 不锈钢只是综合性能好+耐热性好，并不是神，不然为啥只有Mig25用不锈钢，别的战斗机都用铝、钛、碳纤维复合材料？ |
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一个无聊的知识，阿丽亚娜4一级也是钢的 |
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实际上大多数材料选择都是计算得到。 铝密度2.79t/m3，弹性模量70GPa，2a14拉伸强度440MPa。 钢密度7.65t/m3，弹性模量200GPa，板材暂定1200MPa（就是懒得翻了，常温下不锈钢性能很难达到，超低温冷脆可能达到，不影响结论）。 针对火箭柱段的承载，首先研究模型为薄壁圆筒结构，那么由载荷专业计算得到的轴力+弯矩与火箭材料应力关系为： σ=1A（F+4MD）=1πDt（F+4MD）" role="presentation">（）（）σ=1A（F+4MD）=1πDt（F+4MD）\sigma=\frac{1}{A}（F+\frac{4M}{D}）=\frac{1}{\pi Dt}（F+\frac{4M}{D}） σ" role="presentation">σ\sigma 为应力 F为轴力 M为弯矩 D忽略小量可认为火箭直径 t火箭壁板厚度 根据上式可计算火箭舱段壁厚为 t=1πDσ（F+4MD）" role="presentation">（）t=1πDσ（F+4MD）t=\frac{1}{\pi D\sigma}（F+\frac{4M}{D}） 同时火箭柱段单位长度质量为 m=ρA=ρπDt" role="presentation">m=ρA=ρπDtm=\rho A=\rho\pi Dt 联立两式可得 F+4MD=πDσ⋅mρπD=σρm" role="presentation">F+4MD=πDσ?mρπD=σρmF+\frac{4M}{D}=\pi D\sigma\cdot\frac{m}{\rho\pi D}=\frac{\sigma}{\rho}m 可见相同质量结构承载能力仅与σρ" role="presentation">σρ\frac{\sigma}{\rho}比强度相关，按之前假定参数计算，铝合金157.7 N⋅m/t" role="presentation">N?m/tN\cdot{m}/t ，可能存在的冷作硬化超强钢156.8 N⋅m/t" role="presentation">N?m/tN\cdot{m}/t ，铝合金有优势，这还不考虑2a14之上还有很多更好铝合金，1200MPa的超强钢不多。 而后考虑弯曲，对于薄板小挠度弯曲，薄板弯曲刚度为 K=Et312(1−μ2)" role="presentation">K=Et312(1?μ2)K=\frac{Et^{3}}{12(1-\mu^{2})} K为薄板弯曲刚度 E为材料弹性模量 μ" role="presentation">μ\mu 为材料泊松比 采用与比强度相同的办法可以得到比刚度的 K=Eρ3⋅m312(1−μ2)π3D3" role="presentation">K=Eρ3?m312(1?μ2)π3D3K=\frac{E}{\rho^{3}}\cdot\frac{m^{3}}{12(1-\mu^{2})\pi^{3}D^{3}} 此时得到相同质量结构抗变形能力与Eρ3" role="presentation">Eρ3\frac{E}{\rho^{3}}比刚度相关，按之前假定参数计算，铝合金3.22N⋅m7/t3" role="presentation">N?m7/t3N\cdot{m}^{7}/t^{3} ，可能存在的钢材0.466N⋅m7/t3" role="presentation">N?m7/t3N\cdot{m}^{7}/t^{3} ，铝合金有明显的优势，虽然该项跟质量立方相关，但钢材达到相同抗弯刚度仍需1.92倍的质量。需要内部冲压加强或采用硬壳、半硬壳结构形式提高结构屈服强度。 而弯曲刚度的影响，主要是结构的变形幅度及抗屈曲能力，前者主要影响火箭箭上支架及蒙皮桁条结构局部变形，后者则是火箭轴压载荷的最主要强度校核项。具体关于筒子屈曲概念，这里直接偷懒放个链接了。 自主CAE | 基于PERA SIM的外压薄壁圆筒特征值屈曲分析 - 安世亚太的文章 - 知乎 安世亚太：自主CAE | 基于PERA SIM的外压薄壁圆筒特征值屈曲分析 考虑后面还会有人说现在结构多数采用蒙皮桁条、加筋壳等结构，结构整体抗弯刚度提高，光筒抗弯刚度不合适，这里也顺道补补这两个状态问题。 1，虽然整体角度加强筋保证结构抗弯刚度，但同时也存在蒙皮局部失稳、加强筋局部失稳问题。 2，蒙皮桁条舱段蒙皮厚度1.2~2mm，金属铣切加强筋3~5mm，如果采用钢材，等密度结构厚度减少为1/3，不止易失稳，还不好加工，要厚度不变质量直线上升了。 综上所述，在发动机比冲不高，价格超贵，单发成本超高的时代，采用铝合金尽量减轻结构重量，是经计算的选择。 至于老马及早期火箭使用钢材，则包含但不限于以下原因。 1，铝合金焊接质量差，焊接系数低于钢材，考虑焊缝后减重少； 2，钢材冷脆现象在低温下使其强度提高，性能相对铝合金损失减少； 3，钢材耐高温性能好，不像铝合金200度性能就退化严重，减轻防隔热要求； 4，钢材便宜； 5，贮箱箱压够高，飞行过程贮箱不承受轴压载荷，不担心屈曲； 6，老马发动机牛逼； 7，可能大型铝贮箱焊接设备太贵了。。。。 |
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首先，历史上确实有过钢的运载火箭，很多答案都说了。 那我就来补充下为什么这玩意没有在航天领域推广开来：主要原因就是没有可回收能力。因为不能回收利用，所以既然是一次性的，那么只要坚固程度足够挺过一次发射就足够了。剩下的就是为了节约更多重量以节约推力和燃料，那么，自然是在达到要求的前提下，越轻越好。 而实际上，马斯克的回收火箭用钢外壳，并不是他首创。而且不但不是首创，而且他还极有可能是受到到另一个挺常见但不知名的火箭的启发。 这又是一个挺冷门的内容：航天飞机是可回收的，这人人都知道。但它的两个助推器也是可回收的，这应该少一点人知道了。但是，应该极少人注意到，航天飞机的那两枚可回收的助推火箭，用的恰恰就是钢结构。 这点虽然在普通人中极少人知道，但由于空X中相当多人来自于NASA或关联的企业，我相信他们在做材料选择时，肯定是有相关经验的借鉴的——毕竟航天飞机两大回收部件：轨道器的结构是铝，助推器用的是钢，这两者的回收、维护保养等工作差别他们肯定是有直观认知的。 所以，我们可以说马斯克把钢火箭发扬光大——但你要按照“歼20抄袭F22”这种标准来看，马斯克的火箭，几乎所有亮点，就没有哪个是真的是他原创的。 |
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不锈钢乃至钢材料火箭以前有很多，其它回答也举了不少例子了。用不锈钢不是因为它比铝合金结实（在制造火箭这种大型空心薄壁结构时，这俩还真不一定谁比谁结实），而主要是因为它比铝合金更耐高温 —— 而这个需求对一次性火箭来说基本上是不存在的，只有在考虑回收复用时它才突然特别有价值了。 但这个价值也不是能随便兑现的。不锈钢比铝合金重两三倍这一点没法改变，要不是星舰那一堆天顶星科技的猛禽发动机，这坨不锈钢大火箭就算能实现回收也只会有低到搞笑的运力。 互联网上在谈论星舰的不锈钢舰体时，还有个常见误区是认为它靠不锈钢来硬扛热量，就像米格-25一样，这是不准确的。米格-25那种刚刚突破热障的三马赫出头确实能用不锈钢来硬扛，但星舰是再入载具，再入的马赫数是两位数起步的，通常面临这种速度的弹道导弹，弹头用的是碳-碳复材、氮化硼、碳化硅之类的你看名字就会觉得极其耐高温的东西，而不是一烧就软的金属。人类能批量生产的、又能靠自己硬扛再入的金属材料可能只有钨 —— 这也是对天基动能武器的想象基本上都收敛到“钨棒”这个设计上的原因。但是钨的密度差不多又是不锈钢的两三倍，要是拿钨造火箭……那只能说天顶星科技的猛禽发动机也带不动。 所以星舰即使用了不锈钢外壳，也和航天飞机一样需要贴隔热瓦，只是它对于少量隔热瓦的损失没有航天飞机那么敏感。最近一次星舰试飞就出现了可见的隔热瓦脱落，但它仍然顶着极高的再入速度打了好一会儿旋，继续存活了很久，甚至在等离子鞘出现时基本调整到了正确的再入姿态。换成航天飞机这么掉隔热瓦，早就散架了。这大概就是不锈钢最大的优势所在。 航天飞机后来有个技术方案是在隔热瓦和机身之间再加一层芳纶纤维，让二者不直接接触，这样在面对再入热量时，二者不同的热膨胀率就不至于让它们之间发生错位和连接失效。据我所知星舰目前没有这样做，这可能是它隔热瓦掉得比较厉害的原因之一。除了不锈钢更加耐热之外，星舰轨道器在再入时的弹道系数也比航天飞机更低（这个值越低，再入时的气动减速越剧烈，可以更快地降到更低的安全速度）。如果 SpaceX 测试认为不锈钢+更强的减速能力，足以稳定地应付少量隔热瓦的脱落，可能后面也不会追加。 |
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先一句话解决问题，过去的科学家很早就发现不锈钢可以作为航空航天的优质材料，但是不锈钢太重同时航空航天的发动机性能有限，一旦使用不锈钢就会导致整体机动性能与负载能力大幅下降，马斯克能用不锈钢造火箭是因为马斯克和SpaceX成功研发了猛禽发动机这款顶尖的发动机，同时研发了目前全球最强的发动机并联控制技术、航天发动机（全流量分级燃烧构型）大规模量产技术，马斯克完成了真正意义上的“力大砖飞”。 猛禽发动机是人类首款“投入实用”的全流量分级燃烧发动机，过去虽然美苏也有类似研发项目，但是始终在实验室中无法真正投入工程运用。 全流量分级燃烧循环发动机氧化剂和燃料分别由各自的动力涡轮机供压，部分推进剂通过管道互相交换，分别燃烧驱动涡轮机，这样就能有效提高燃烧效率。 另外，全流量分级燃烧还能让涡轮机的工作温度更低，压力也更低，这样发动机的寿命就会更长。 最难以置信的这种动力结构最为复杂的发动机，马斯克和SpaceX将其不断迭代研发升级，推力已经达到单台269吨。 同时马斯克的思维一直是“超级工厂”，给高精尖工业品祛魅，打造大型流水线把高精尖科技产品以下饺子的方式生产来摊薄成本，猛禽发动机对于其他国家来说已经是高精尖的代表，但是对马斯克来说又是另一款可以量产的“饺子”。 之前也有类似的案例，其他国家还在把霍尔推进器当作高端科技项目的时候，马斯克的卫星超级工厂已经给所有星链卫星哪怕是初代，都装配了霍尔推进器，大规模投入使用….. 话说回来，马斯克的思路就是用便宜且性能强劲的发动机来驱动更便宜的不锈钢火箭箭体，再通过优秀的并联控制技术让少量发动机异常也不会影响到其他发动机，让过去那种一个发动机异常会引爆全箭变成了一个发动机异常就自行关机的“备份”机制，再通过大规模量产发动机降低成本，如此正向循环。 |
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为什么有的人连尝试百度都没有就敢否定以前的科学家 |
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这说的可不对呢。 莱阳钢管出口的是啥来着？ 用啥做的？ 后来被用来做啥了？ |
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首先，材料选型是我们工程师的活，不是所有技术人员都叫“科学家”。 其次，确实有些时候通过材料参数计算出的性能会有偏差，需要做实验确认。但是铝合金跟不锈钢的差异远远超过了这个范畴。这么骗研发经费属于纯纯的把所有人当傻子。就像你跟农民说秋天想收麦子要种稻种还是麦种，需要试种一年才知道，看农民会不会一锄头让你滚蛋。 最后，先问是不是。 |
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首先，大伙儿其实都已经列举出火箭所用到的钢了，但我接下来的回答我个人认为更能解释你的问题。 传说： 特斯拉当年很瞧不起爱迪生的一点就是，爱迪生不懂理论，有些材料一算就知道不合适，但爱迪生就要拿来做一遍实验。 这是个很浪费资源和时间的行为。 |
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最早，我是比尔盖茨的铁粉，就是说每个人只需要640k内存那个。 后来，我是乔布斯的铁粉，就是说手机屏幕黄金尺寸是3.5寸那个。 接着，我是马杰克的铁粉，就是说银监会滚开让我超级加倍杠杆贷走起来那个。 现在，我是马斯克的铁粉。 总结出一个经验，当扫地大妈都在谈股票要涨的时候，那就有点危险了。 |
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早就有用不锈钢做火箭的了，只不过性能一般情况下不如铝合金，更不如碳纤维。星舰采用不锈钢是因为需要从外太空返回，不锈钢恰好耐热能力比铝合金强，算上隔热瓦的重量不锈钢反而比铝合金性能更强。 |
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1 早期技术不成熟的时候用过，甚至都不是不锈钢，为了省钱用的是钢。比如最早的火箭，V2导弹。 2 不锈钢导致火箭自重严重超标，运力直接变负数了。要么大幅降低箭体强度，要么做成无需考虑比冲起飞就扔的固体火箭助推器。 3 到目前为止人类航天遭遇的99%问题都来自发动机性能太差，重量限制了火箭和航天器的设计。一旦有了高推重比+高比冲发动机，那么各种优化方案就会爆发式实用化。 4 星舰的各种创新设计，都是建立在猛禽这个外星技术的发动机之上，一旦你换成长征系列的垃圾YF或者H系列的垃圾LE，设计就完全不成立了。 |
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为什么以前的科学家连尝试都没有就否定了用空气做火箭的可能性？ |
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题主号称自己是学物理的？应该有理性吧？应该学会基本的科研方法吧？查资料，对自己说的话负责是大学生的基本要求吧？ 一、基本判断的谬误 “以前的科学家连尝试都没有就否定了用不锈钢做火箭的可能性”这句话里的事实、逻辑、规则和推论都是怎样的啊？“而是想办法找昂贵的新材料” （1）不锈钢火箭最近的大规模实践，据说是某国技术人员用“莱阳不锈钢”？当然，你可以认为他们不是科学家。 （2）我国的某些火箭（导弹），也大规模用不锈钢制造。 （3）第一代火箭V2也是用钢制造的啊！ 二、铝代替钢的产品逻辑 当年的思路如下： 1 最难的是火箭发动机（一次性的）。其推力决定了发射升空的总重量（火箭自重和载荷重量）。 2 由于载荷重量是真正有用的，那么降低火箭重量有利于提高发射效率，降低每公斤的发射成本。 3 铝或者其他复合材料比钢密度轻，因此，可以用铝来降低火箭自重。 三、马斯克的新逻辑 不完全准确，但是基本逻辑如下： 1 如果我有很牛的多次运用的火箭（尤其是发动机），我就可以降低发射成本； 2 这时候，火箭（壳体）的经久耐用就是重点，而不是火箭的自重； 3 不锈钢比铝耐烧，所以不锈钢更好用。 四、结论 要获得完备的知识，不要断章取义，不要轻易否定前人的智慧，才能做到更好！ 祝愿题主通过这次提问，除了知识以外，有更重要的收获！ |
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不是没人用 是在火箭不回收的情况下 不锈钢反而拖累火箭的运力 马斯克的功劳在于打通可回收这条路 火箭都可回收了，自然不用计较单次运力了 |
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为什么以前的科学家连尝试都没有就否定了针栓式喷注器？ |
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马斯克的口碑有一大半都是被各路尬吹的孝子贤孙整坏的。 |
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以前用铝都嫌重，力不够大，砖飞不起来。星舰是体积大了，找不到有能力生产的好材料，而且力大砖飞。猎鹰九号外壳主要成分是铝锂合金，为什么不用不锈钢呢。因为火箭小用不锈钢火箭都射不上去，还能带什么呢？早期飞机是木头制的，后面就用金属了，也有用不锈钢的。 在上个世纪六十年代火箭外壳用的是铝，能满足恶劣环境和重力加速度。铝的选择很严格，用的是铝铣削板2014 T6和2219 T87，整流罩和翅片由钛和铝合金7075 T6制成，非金属材料主要是塑料、尼龙、橡胶、聚氨酯泡沫和软木塞等，你没有看错还有很多木头，因为具有很好的耐热性和轻质特点。 美国土星5号仍是人类历史上使用过的自重最大的运载火箭，高达110.6米，起飞重量3038.5吨；总推力达3408吨，月球轨道运载能力45吨，近地轨道运载能力118吨。 土星五号设计时，根据在“雷神”运载火箭上的成功经验，道格拉斯公司的工程师们很快就选择了铝合金2014作为燃料贮箱的主要材料。结果很快全被打回去了，因为太重了。最后是一整片合金板设计为表面网格状的。 |
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无知真是可笑，印度的不锈钢火箭都不知道用了多少年了，还说没有不锈钢火箭？ 印度航天打了翻身仗：火箭居然用不锈钢造箭体，全球独一无二 谷火平观察2020-09-14 16:24 |
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GSLV.MK3大型运载火箭是印度人非常引以为傲的装备，在它第二次将通信卫星送上地球同步轨道以后，印度人兴致冲冲地表示它还要承担更多的发射任务，并十分自豪的将其称之为全球一流水平，虽说印度有此成就实属不易，但这种说法也还是令人难以认可。 |
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不可否认的是，GSLV.MK3接连两次成功发射的事实可以给印度的太空研究组织带来极大的自信，也可以让印度的民众受到一定的鼓舞，毕竟此前的失败经历就如同阴云一般压在印度人的心底，在这之前，印度人难以忘记GSLV.MK1连连失败的惨状。 |
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接二连三的失败成绩让相关太空研究组织背负了更多的压力，他们将GSLV.MK3当成最后一搏，如若GSLV.MK3能够发射成功，那这场翻身仗就算是彻底打赢了。看来压力之下可以激发人的潜力，印度这次算是打了场漂亮仗。 |
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从外形上来看，印度的GSLV.MK3的确能栖身于当下全球大型运载火箭的合格区，它所采用的液氢液氧发动机技术确实一流。它选用了助推器S-200，其水平可列为全球第三，这样的组合从理论上讲确实能做到“固液结合”体系，让效率大幅度提高。 |
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可是放到大环境来看，英法美俄都已经具备了先进的技术，GSLV.MK3最多能做到10吨载荷，还不到长征五号的一半，更何况它的重量还要比长征五号大上许多，颇有点雷声大雨点小的意思，和自己比是进步，和他人比还是不值一提。 |
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如果不算上载荷与体重，GSLV.MK3的运载效率真不是一般的低，推算下来只剩下了1.15%。再看同级别来自俄罗斯的“安加拉”，它的运载效率可达3.22%，再看来自美国体重相似的SPACEX“猎鹰九号”，它能达到4.15%。 |
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由此可见，印度浪费了多少重量，其实在这方面很多国家都已经大量使用轻质金属与复合材料了，这样可以降低外壳、结构件等重量，而GSLV.MK3选用的依然是不锈钢，不禁让人连连摇头。 |
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不过，印度基本上是不会把GSLV.MK3超重的地方公布于众的，也许他们认为这并没有必要，他们宁肯又贵又重，只要能用就可以了。现如今GSLV.MK3也算是正式踏入了相关领域的大门，印度已经将眼睛放在载人航天方面了。 |
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不过，想让它载着航天员飞上太空不是印度自己说了算的，GSLV.MK3需要经过大量的商业认证来证明自己的可靠性。显而易见，它还不具备这个实力，无论是成本还是效率都无法博得商业客户的欢心，印度太空研究组织想要实现这个目标，还得继续努力。 |
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但凡你百度一下呢 |
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并没有否定，只是思维方式不同罢了 科学家：要尽量做到完美，不锈钢太重了，要用更多的燃料才能发射出去，不合适 工程师：能飞就行，不锈钢太重了，但完全可以大力出奇迹 商人：能赚钱就行 马斯克的思维方式是工程师+商人的混合体 |
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为什么以前的科学家连尝试都没有就否定了高达的可能性？ |
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