“西南铝”为天舟四号太空送货披上坚固“铠甲”

火箭外壳多采用高强度铝合金制成半硬壳式结构或蜂窝结构。

火箭主要由仪器舱、箱体、过渡段和尾段组成。箱体以外的部分主要起结构支承作用，多采用高强度铝合金制成半硬壳式结构或蜂窝结构。随着钣金成形和焊接技术的进步，后来改用铝-铜-镁系、铝-锌-镁系高强度铝合金制作箱体。为箱体内部增压的高压气瓶多用钛合金或高强度钢制作。

由于火箭一次使用的特点，它采用铸造整体结构件的比例大于其他飞行器。铸件中以镁、铝合金的精密铸造件居多，一般用作形状复杂，尺寸精确的薄壳构件，如小型火箭的翼面、整体结构的舱体和活门壳体等。火箭外形特点为圆柱形，不少零件可以采用旋压、滚弯和拉弯等方法制造。

扩展资料

火箭身高数十米，体重有几十到几百吨，许多人会觉得，它外壳一定特别厚重，才能支撑起这样的庞然大物。其实，火箭的外壳是很薄的，最薄处仅有0.8毫米，和鸡蛋壳差不多。

要想把火箭外壳做得薄，材料是非常重要的。目前，常用火箭外壳的主要材料为铝合金，这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低、综合性能最好，是做外壳的最佳选择。

火箭的外壳由多个部分组成，包括蒙皮、桁条和框环。框环和桁条组成一个圆柱型的框架，通过铆接与蒙皮组合到一起。蒙皮主要是起到维持形状、安装仪器电缆等作用；而桁条则是起到纵向主支撑力的作用。桁条、框环和蒙皮之间的关系就像是灯笼里的竹条和外面的纱罩。

如果蒙皮过薄，靠不断加密内部框架来保证坚固性的话，反而会使壳体重量加重，达不到预想的效果。因此，设计师要计算出蒙皮和框环、桁条的最佳配比，既保证用最少的材料，又能保证箭体坚固、可靠。

参考资料来源：百度百科-火箭和导弹材料

参考资料来源：百度百科-火箭制造

2、弹体材料：火箭或导弹的弹体主要由仪器舱、箱体、过渡段和尾段组成。箱体以外的部分主要起结构支承作用,多采用高强度铝合金制成半硬壳式结构或蜂窝结构。

3、发动机材料：液体火箭发动机主要由涡轮、推进剂输送泵和燃烧室组成。涡轮材料主要是镍基、钴基合金。泵壳体采用高强度、高致密性的铝合金铸件或钢铸件。

4、非结构材料：火箭和导弹的特殊工作环境和贮存环境,需要使用诸如耐高温或耐低温的润滑材料、真空密封脂、高级液压油、无机化合物防火腻子、防潮防霉防腐蚀的油漆和涂料等非结构材料。

首先，我们先来了解一下常规制造火箭和空间站的材料是什么？目前一般采用铝合金（铝镁和铝锂合金）和碳纤维复合而成，铝合金一般作为骨架结构材料，碳纤维作为加强材料，碳纤维用树脂浸沾后缠在铝合金壳体外面，利用碳纤维的高强度来增加火箭或者太空结构强度。在太空工作过程中，外表面是近似真空的环境，壳体必须保证不漏气；碳纤维虽然强度高，但是几乎没有韧性，也无法做到气体密闭，因此内层采用铝合金起到密闭和增加结构韧性的作用。

铝合金有较好的比强度、低温韧性是选用这种材料的主要原因。火箭、太空飞船和空间站在太空运行时，照射不到太阳时，外界温度可到-160-200 ，这就要求必须采用低温韧性较好的合金，一般常规钢材都是体心立方结构，在-196 低温下会变得玻璃一样脆，锤子轻轻击打变粉碎，这是一般钢材无法应用航空航天的主要原因。但是铝合金不一样，铝合金是面心立方结构，材料的韧性不随着温度的降低而明显改变，在低温下也能保持较好的低温韧性。但是铝合金的强度一般远远低于钢的强度，目前火箭和空间站广泛采用高强度的铝镁合金和铝锂合金，屈服强度一般在300-400Mpa，抗拉强度只有500-600Mpa，延伸率一般在10%以下，这些性能是普通钢轻易都能达到的。铝合金的低密度一定程度弥补强度和韧性不足的损失，因此火箭、太空飞船和空间站一般选用铝合金作为结构材料。

但是，铝合金还有一个明显的缺点的是耐热能力差，纯铝的熔点只有660 ，铝合金的熔点只会更低，一般熔点在600 左右，但是铝合金高强度一般都是通过固溶时效处理达到的，温度升高后，材料的固溶强化效果大幅度衰减，200 以上铝合金强度降低到不足200Mpa，因此一般必须保证工作温度不超过150 。碳纤维稳态下最高工作温度也只有150 ，这对于火箭发射来说，速度是逐步升高，速度较高时，已经达到空气稀薄的大气层中，温度上升现象并不明显，采用铝合金和碳纤维，再加上适当的隔热涂料，是可以接受的。但是对于需要再入大气层的太空飞船是难以接受的。火箭或者飞船再入大气层时，与大气层剧烈摩擦，产生的温度可高达近1600 ，这是碳纤维和铝合金，甚至是钢都无法承受的。看过神州飞船返回再入大气层都知道，飞船表面基本就是个火球，就如流星坠落没什么俩样！

为了解决飞船再入大气层的高温问题，目前发射成功的载人航天器，一般都采用表面加装隔热瓦的措施进行隔热。但是因为外表面温度高达1600 ，飞船机体只能承受不到150 的高温，必须有足够厚度的隔热瓦才能起到隔热作用，一旦隔热瓦脱落或者出现孔隙，可以说瞬间就是机毁人亡。因为铝合金熔点和耐热温度太低了，因此美国的航天飞船一般都是披着厚厚的隔热瓦。隔热瓦一般都是陶瓷材料，与机体材料特性相差很远，无法与机体紧密结合，一般都是粘接到船体上，飞行过程难免会剥落。一旦剥落后果不堪设想。美国一共造过5艘航天飞船，因事故就失毁2艘，分别是“挑战号”和“哥伦比亚号”航天飞船，其中2003年坠毁“哥伦比亚”号航天飞机，就是因为在发射过程中被从机身下面燃料箱上脱落的绝缘材料击中机翼前端，结果造成部分隔热瓦破损，在重返大气层后，因超高温空气入侵而解体爆炸，7名宇航员全部遇难。这些血的教训，马斯克不可能的不知道，马斯克选用不锈钢的造航天飞机可能就是吸取“哥伦比亚”号航天飞机的教训。

为什么马斯克选用不锈钢做星际飞船材料？前面说过一般的碳钢都是体心立方结构，在低温下（若液氮中）就如玻璃一样脆，但是不锈钢不是这样，这种钢材和铝合金一样也是面心立方结构，在-196 仍然有高达100-150J的冲击韧性，而铝合金在-196 下冲击韧性一般不到50J。在强度方面，常温下不锈钢的强度并不高，一般屈服强度在300-400Mpa，抗拉强度在500-600Mpa，延伸率高达25-30%，但是在低温下强度提高50%以上，温度越低强度越高，在-196 下不锈钢的屈服强度高达600-700Mpa，抗拉强度达到1000Mpa以上，延伸率还能保持在20%左右，强度几乎是铝合金的2倍以上，韧性也更好，采用不锈钢做壳体碳纤维估计都能省了。强度的提高，也意味着安全性的提高。太空并不是空无一物，时刻面临着太空垃圾和流星的袭击，空间站或者飞船漏气是很严重事故，人员瞬间都可能丧命，提高制造壳体材料的强度是保证安全的必要措施。

2018年8月和2019年9月国际空间站连续两次发生漏气事故，空间站人员找了很久都找不到原因，工作人员非常紧张，都十分担心安全。有些不了解内情的人很吃惊，想当然认为空间站都是厚厚的金属材料包裹着，很安全。但是，实际上现有的空间站采用铝合金和碳纤维制作成，为了降低重量和发射成本，采用铝合金壁的厚度只有4-10mm，不到1厘米厚，空间站就是靠这层铝合金保证空间站不漏气。铝合金强度和硬度又比较低，如果有人居心不良，用小刀都能打个孔，所以在空间站工作的人，实际都很害怕，把生命交给一个厚度不到1cm的铝合金的保护，真的可靠吗？未来真要建设商业性的国际 旅游 空间站，敢仍然采用这种材料吗？治安问题将是一个大问题。另外，随着太空垃圾的增多，撞击几乎是不可避免，要想建设适合商业化的空间站，不锈钢的可能是一个不错的选择。不锈钢更高的强度和低温韧性是保证空间站安全的重要保障。

不锈钢还有一个优势就是价格便宜。正如马斯克自己所说，以前采用铝合金和碳纤维制造，仅仅碳纤维都需要135美元/kg，加工过程产生至少30%废料，实际成本在200美元/kg，这仅仅是碳纤维的成本，制造铝合金的成本也不低于20美元/kg。但是不锈钢的价格只有3美元/kg，你说选什么？虽然不锈钢比较重，在Space X的火箭重复利用技术已经成熟的背景下，至少浪费一些燃料而已！这就是火箭发射商业化的发生的威力。

另外，不锈钢不仅价格便宜，而且不锈钢的加工工艺也比较容易，可能不需复杂的碳纤维包裹工艺就可以加工成火箭或者空间站，制造成本要低得多。不锈钢采用简单的焊接工艺就可以加工成密闭容器，说不定在不远的未来，可以直接采用猎鹰火箭运输不锈钢钢板上太空，再输送几个焊接工人，就可以在太空进行施工建造空间站，未来在月球或者火星也可以如此进行。现有空间站都是一段一段的，直径都不大，这是受火箭直径影响的，这些空间站都是在地球加工好的，发射到太空上对接形成的，这样制造的空间站的空间狭小，空间局促感明显。未来商业化的太空旅行必须解决这个问题，在太空施工建造大型空间站是必由之路。采用不锈钢造星际飞船或许只是一个开端，只是一种探路，

最后，SN8星际飞船采用不锈钢还有一个重要原因就是耐热能力较好。不锈钢的熔点达到1400 以上，在800-900 仍然可保持200Mpa以上抗拉强度（屈服强度在80-100Mpa），远远高于铝合金。飞船再入大气层的最高温度在1600 左右，一般也就持续几十秒时间，采用不锈钢造壳体即使表面不加隔热层，也很难发生机毁人亡的恶性事故。飞船的壳体表面能承受温度越高，对隔热层的要求越低。铝合金和碳纤维能承受最高150 的界面温度，不锈钢直接能承受高达800 的界面温度，界面温度提高5倍以上，隔热层厚度和要求也大幅度降低，以前隔热层必须保证外表面1600 情况下，内壁温度不超过150 的温度，温差达到1450 ，现在只需要隔热到800 就可以，隔热要求将大幅度降低，成本也会大幅度降低，航天飞船的安全性也会大幅度提高。

有些人可能要问？不锈钢这样好的材料为啥那么多国家的技术人员都没有想到？这里面有两方面的主要原因，以前火箭发射后火箭发动机是不回收的，火箭发动机的制造成本远远高于燃料的成本，因为火箭发动机的成本高原因，必须提高有效载荷，火箭筒体或者空间站壁满足使用要求就行，把重量留给有效载荷才是目标。马斯克把火箭发动机回收这个被认为不可能的问题解决了，就剩下燃料成本的增加，采用不锈钢造火箭或者星际飞船就不是问题，这就是商业化公司与政府主导发射的思路不同。从商业角度考虑问题，往往会带来意想不到的转变和突破。况且，不锈钢的安全性远高于铝合金，安全性才是商业化优先考虑的。另外一个不采用不锈钢的重要原因就是不锈钢的导热性太差，导热系数低，在太空中太阳照射和不照射区域温度差别大，不锈钢受热不均匀可能导致变形，这个问题可以通过一定均热手段予以解决，目前马斯克团队应该正在攻关这个问题。

从上面的分析来看，马斯克采用不锈钢制造星际飞船或者火箭都不是心血来潮一时的决定，而是长远的商业化太空 旅游 和殖民火星的需要。曾几何时，在中国钢铁已经成为落后产能的代表，航空航天上几乎见不到钢铁的应用，已经全部是有色金属的天下。其实，在钢铁领域何止不锈钢具备满足太空环境使用所需要的较好的低温韧性和较高的耐热强度，最近发展起来的9Ni钢、高锰钢、中锰钢等钢种都能达到-196到-252 的低温韧性要求，而且在-196 低温下抗拉强度可达到1500Mpa，强度是铝合金2-3倍都不止，低温断裂韧性高达150J以上，是现有铝合金5-10倍。只要发展思路转变，我相信未来钢铁会登上航空航天，甚至星际旅行的舞台，发挥其应有的光芒。

随着钣金成形和焊接技术的进步，后来改用铝-铜-镁系、铝-锌-镁系高强度铝合金制作箱体。为箱体内部增压的高压气瓶多用钛合金或高强度钢制作。为改变发动机推力的方向，一种方法是在尾段上装燃气舵。燃气舵受到喷焰的高速冲刷，烧蚀严重，故多采用特种石墨或钨、钼等难熔金属制作，表面再覆以抗氧化涂层。另一种方法是采用摇摆式发动机或摆动喷管，为此弹体尾段须装有柔性防热材料，如玻璃纤维增强硅橡胶，以防止火焰的辐射热对尾段内各系统的损害。此外，弹体内的活门、管路系统还需要使用各种密封材料。

第二，美观。经过抛光，呈现银白色，有如科学色，高档、明快。

第三、易于制作。

第四、如经表面氧化处理，其硬度、强度、韧性，足够满足要求。

第五，价格低廉。