Нужно вспомнить, что SpaceX начинала вовсе не с нержавеющей стали, чтобы действительно понять, почему они используют её сейчас. Первоначальный дизайн Starship заключался в использовании углеродного волокна для всего. Они даже построили прототипы.
Этот бак — один из самых больших когда-либо созданных элементов конструкции из углеродного волокна. Позже он был испытан на прочность и оказался полностью способен удерживать жидкий кислород при давлении 8,5 бар (850 000 паскалей).
Они построили огромную оправку для корпуса из углеродного волокна, которая должна была составлять внешнюю часть ракеты, и даже сделали тестовую секцию из углеродного волокна. Итак, почему же они всё это бросили всего несколько месяцев спустя?
Углеродное волокно легче и прочнее нержавеющей стали, но у него есть определённые проблемы. С углеродным волокном непросто работать. Вы не можете разрезать его и залатать, ему нужно с самого начала придать окончательную форму, включая любые отверстия и так далее. В противном случае всё, что вы сделаете позже, ослабит структуру и не может быть исправлено, что потребует восстановления всей детали с нуля.
Углеродное волокно является хрупким при низких температурах, особенно при криогенных температурах, необходимых для сжиженного кислорода (LOX) и жидкого метана.
Углеродное волокно также не годится, когда становится слишком жарко. При температуре выше 400 градусов по Фаренгейту (200 по Цельсию) смолы, связывающие углеродные волокна вместе, начинают разрушаться и плавиться, и углеродное волокно теряет свою прочность.
Итак, если вы хотите иметь ракету из углеродного волокна, которая может повторно войти в атмосферу, где она должна выдерживать температуру до 1750 F (950 по Цельсию), вам необходимо нанести серьёзную тепловую защиту снаружи. Это должно быть твёрдое покрытие, а любой небольшой зазор приведет к прожиганию углеродного волокна. Затем, как уже упоминалось выше, вам придётся заменить всю ракету.
Углеродное волокно также очень хорошо передаёт тепло, а это значит, что вам понадобится контейнер с двойными стенками и резервуарами внутри корпуса. Это удваивает количество углеродного волокна, необходимое для вашей ракеты. Внешняя сторона должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление при входе и приземлении, а внутренняя часть должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать нагрузки находящихся под давлением резервуаров, и они должны быть изолированы друг от друга.
И вам всё равно понадобятся структурные элементы, чтобы связать все это вместе, что означает некую алюминиевую раму внутри, распределяющую нагрузки.
Углеродное волокно также медленно производится. Требуются массивные оправки, а затем вы должны запечь все это в печи с контролируемой атмосферой в течение нескольких часов или дней, чтобы создать решётку углеродного волокна. Это дорого, миллионы долларов.
Илон давал оценку, что изготовление ракеты из углеродного волокна будет стоить 150 долларов за килограмм, которая со всеми необходимыми дополнительными опорами и теплозащитой всё равно будет иметь массу от 80 до 100 тонн. И это без двигателей, бортового оборудования, компьютеров и всего остального.
Итак, в сентябре 2018 года они уже пристально смотрели на затраты, скорость и проблемы с обслуживанием. И здесь на помощь приходит нержавеющая сталь.
Нержавеющая сталь стоит дёшево и имеется в изобилии. Что ещё более важно, поскольку её используют огромные отрасли, есть также тысячи работников, которые знают, как с ней работать. В отличие от углеродного волокна, где кадровый резерв по-прежнему узок.
Итак, стоимость строительства корабля с использованием углеродного волокна составляла 150 долларов за килограмм, а с использованием нержавеющей стали — оказалась всего 3 доллара за килограмм.
А если вы сделаете какую-то ошибку… Вы можете разбить деталь молотком, вырезать и приварить поверх всё что надо. Проделайте дыру, и вы сможете её залатать. Отломите кусок, и вы сможете приварить новый. Вы можете менять дизайн на лету. Больше не нужно заменять всю исходную форму.
Нержавеющая сталь (по крайней мере, экспериментальный вариант 301, 304 и 30x, который использует SpaceX) становится только прочнее при криогенных температурах. Потребовалось время, чтобы довести сварочные технологии до нужного состояния, но теперь у них нет проблем с баками, имеющими 40% запас прочности выше запланированных 6 атмосфер давления, ожидаемого во время полета, и уровня безопасности, необходимого для человеческих полётов.
Сталь даже не начинает терять прочность до температур 1500 F (815 по Цельсию). Это означает, что вам нужен лишь лёгкий тепловой экран на стороне, подверженной входу в атмосферу. Даже если что-то будет повреждено, вы всё равно можете залатать корабль на земле, что невозможно с углеродным волокном.
Фактически, отказавшись от «сверхлёгкого» углеродного волокна в пользу гораздо более утилитарной нержавеющей стали, удалось достичь той же массы корабля без каких-либо головных болей.
Выше — снесенные бульдозерами остатки оправки из углеродного волокна стоимостью 20 миллионов долларов. Спустя всего 5 месяцев после демонстрации своего первого корпуса из углеродного волокна они полностью отказались от этой идеи.
Что насчёт другого материала, который можно было бы сопоставить с этим? На самом деле такого материала нет. Всё, что может выдерживать более высокую температуру, например вольфрам — намного массивнее и дороже. Что-либо более лёгкое, например алюминий или титан, не выдерживает высоких температур и становится хрупким при криогенных температурах.
С композитными или керамическими материалами практически невозможно работать в таком масштабе, или потребуются десятилетия исследований. В целом, нержавеющая сталь — это «золотая середина». У неё много хороших свойств — простота использования, цена, термостойкость, прочность, коррозионная стойкость и так далее. Хотя она не выигрывает ни в одной конкретной категории, она единственная, которая может учесть их все одновременно.
По материалам публикации (англ.).