据报道，2020年4月9日19时46分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭发射印度尼西亚PALAPA-N1卫星，火箭一、二级飞行正常，三级工作异常，根据测量数据监视判断，火箭三级及卫星残骸已坠落，卫星发射失利。故障排查及有关处理工作已全面展开。长三乙的失败，标志着中国火箭30天内两次发射失败，3月16日，中国海南文昌卫星发射中心首次试飞实验中，长征七号甲火箭也未能将卫星送入预定轨道。

PALAPA-N1卫星是印度尼西亚向中国采购的第1颗商业通信卫星，将在轨接替PALAPA-D卫星，主要为印度尼西亚及中东地区提供广播通信、企业服务、个人移动通信等业务服务。卫星起飞重量5550公斤，在轨服务寿命15年。

针对这次发射失败，有网友就表示非常意外，接连的任务失败必然暴露了一些问题，如今中国的航天技术已日臻成熟，但发射失败却接连袭来，令人很难接受。

今天，我们来了解一下运载火箭所使用的材料。

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人类许多最伟大的技术进步，都可以追溯到对特殊特性的追求，而这些特殊特性，需要通过金属或合金所制造的零件来实现。

除了材料本身，制造技术也是日新月异。从大约公元前6千年铜材的锤打，到如今钛金属的3D打印。

人类对太空的探索无疑是20世纪最伟大的成就之一。运载火箭将科学或商业有效载荷运送到环绕地球的稳定轨道的要求是非常复杂的，并且通常与一般的工程应用有很大的差异。

例如，火箭的结构材料在上升过程中，需承受空气动力压力阶段的最大力，液体燃料系统的低温，燃烧段和排气段的高温，以及使用氢作为燃料时带来的氢脆问题等。除此以外，所有组件都需要把轻量化做到极致。对于运载火箭来说，大质量的部件是不可接受的，其根源可以了解一下火箭科学的基础——火箭方程。

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一切都关乎质量

1903年，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)将动量守恒应用于火箭，提出了他的火箭方程。从该方程可以看出，火箭结构的质量起着至关重要的作用。

火箭方程的示意图

整个燃料从初始燃烧状态到最终状态，导致火箭速度Δv发生变化。初始质量和最终质量之间的差异与排气速度，共同决定了火箭可以达到的速度。

火箭只是一个运输工具，其唯一目的是运送有效载荷。这一目标的实现，依赖于火箭排出推进剂后所能达到的最大速度。到达近地轨道所需的Δv约为8km/s。获得这种Δv所需的推进剂质量，约占火箭整体质量的83~ 94%（具体取决于推进剂的类型）。

火箭质量的其余部分（m f）由火箭结构材料和有效载荷组成。因此，当燃料质量确定时，火箭的结构质量越低，有效载荷的质量就越高。

许多金属具有高密度。但由于零件不能无限地薄，而高密度的材料通常会导致大质量的零件。你可能会想，为何不采用那些可用的低密度金属呢，比如铝、镁和锂?

这些金属已经少量用于火箭的空间结构中，但是它们有一些共同的缺点。即较低的熔点和较高的化学活泼性，这使得它们不适合制造与低温燃料或高温废气接触的零件。

虽然复合材料和陶瓷具有很高的强度和化学稳定性，但它们通常太脆而无法承受动态机械载荷。因此，尽管镍、铬、钴和铁等一些金属的密度相对较高，但它们依然是制造火箭的主流材料。

最近， Elon Musk在接受采访时强调了这些金属的实用性，他宣布将采用不锈钢，而不是先进的碳纤维结构材料，来制造星际飞船（Starship）和超重型火箭助推器。在新的设计中，不锈钢301被用作多功能的集成结构材料和隔热板。

从超低温到1100k的超宽工作温度范围内，不锈钢301的性能优于铝合金和碳纤维制造的结构，在以上三种材料中，用不锈钢301制造的结构质量也是最轻的。

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结构，管道和推进剂舱

火箭结构的最大质量位置，通常集中在推进剂舱，这些推进剂舱还承受火箭本身的结构性载荷。因此，推进剂舱必须能在低温条件下承受适度的压力，同时还要承受火箭升空过程中急剧变化的机械载荷。

最常见的设计是采用一个强化铝合金制外壳，即使不从内部加压，也足以支撑自身重量。

过往的历史表明，2000系列铝合金已用于结构性储罐。该系列是铝铜合金，铜的重量百分比为0.9-6.3％。

在2000系铝合金中，金属间化合物CuAl2会产生强化效应，同时添加硅，锂和微量的锰、镁和钛，可改善可锻性并抑制应力腐蚀。铝合金的另一个优点是，低温能提高其抗拉强度，这对于火箭应用特别有吸引力。

为将燃料从燃料箱输送到火箭发动机，并连接到其他辅助加压系统，需使用供应管线和管道。用于制造这些管道组件的金属需要有较高的延展性，以承受无法避免的弯曲变形。与此同时，如何在低温下保持材料的强度和延展性，并与所传输的燃料流的化学相容性也至关重要。

任何避免发生氢脆，对于管道来说特别重要。耐腐蚀的321不锈钢是火箭管路系统的主要用材。321不锈钢富含铬和镍，并含0.3-0.7%的钛，起到合金稳定化的作用。

其他合适的材料还包括镍基超级合金Inconel 718和不锈钢A-218，它们都已用于制造航天飞机主发动机（SSME）。下表列出了用于制造SSME的主要材料。

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火箭发动机–人类工程杰作

毫无疑问，发动机无疑是火箭最精密的部件。火箭燃烧室中的温度梯度大得不可思议：温度为20K的液态氢被用来冷却燃烧室内壁，而该内壁需面对的废气温度超过2000K，需要强调的是，整个燃烧室的内壁厚度还不到1mm。

液体火箭发动机的工作原理其实并不复杂。火箭的推力大约等于推进剂质量流量乘以推进剂的排空速度。这两个参数在火箭发动机中被优化到极致。为了获得高的推进剂质量流量，每个推进剂都配置有专用的涡轮泵。

有一种钛基合金被证明是用于涡轮泵叶片和外壳的理想材料。通过推进剂的燃烧为涡轮泵提供动力，推进剂燃烧后产生的废气被输送到主燃烧室，在主燃烧室与高压推进剂的主推进剂流混合后并被点燃，使推进剂迅速膨胀并通过发动机喷嘴的开口端向外排出。

SSME的推进剂流程图

火箭的推进剂通常采用液氢和液氧。实现推进剂的高流速，专门配置了两个涡轮泵。同时，喷嘴和主燃烧室由液氢冷却，而推进剂的预热也有助于提高系统的整体效率。

火箭喷嘴本身有一个非常聪明的设计，也源自基本的物理方程。它由一个可达到音速排气的会聚部分组成。在这里，被加热气体的膨胀特性会发生变化，形成一个有利的分流段(增加喷嘴截面面积)，气体可被加速到超音速并从喷嘴出口排出。

该技术可实现的典型排气速度约为4000 m/s。喷嘴内表面的热负荷可以达到22 MW /m?，这个负荷与聚变反应堆内部的热负荷基本相当，或相当于太阳表面辐射热通量的三分之一。

液体火箭发动机的核心是主燃烧室。在工作过程中，主燃烧室的工作环境非常恶劣，以至于任何在燃烧室内工作的材料均可能会率先失效，并导致发动机故障和发射任务的失败。主燃烧室内推进剂被点燃时，冷却通道和内壁之间的压力差约为20MPa，约为大气压的200倍。

主燃烧室壁横截面如下图所示。

SSME主燃烧室的横截面

目前，使用新型的铜合金NARloy-Z(Cu-3wt%Ag-0.5wt%Zr)作为内衬，使用液氢主动冷却技术对其冷却，来承受推进剂燃烧时产生的巨大热通量。

NARloy-Z的强化机制是“固溶强化+析出强化”。NARloy-Z合金的固溶强化来源于Ag，而析出强化来源于Cu4Zr或Cu5Zr金属间化合物。

需要指出的是，在火箭发动机的工作环境下，NARloy-Z合金直接和巨量的热态氧气接触。一旦由于排出气流中的某些湍流使局部壁温超过866K时，NARloy-Z合金中的银会开始发生偏聚，从而降低材料强度；同时，这样的温度也能使氧大量扩散到材料中，以至于Zr（锆）被完全氧化，导致金属间化合物开始分解。

在这种人为施加的高温高压下，NARloy-Z合金的两种强化机制都会崩溃，材料内部会形成裂缝，材料内部的裂纹会形成热障，致使热量不能有效地传导给冷却剂，使温度进一步升高。

一旦进入这一恶性循环，部件故障就迫在眉睫了，冷却剂(也是火箭的液氢推进剂!)将开始泄漏到燃烧室，点火将不再受控。虽然这不是直接致命的，但无疑会降低整个发动机的效率，以至于无法达到必要的发射速度Δv，最终导致火箭发射失败。

尽管SSME技术是在上世纪70年代和80年代开发的，但其技术在可预见的未来仍具有重要意义。迄今为止报告的SSME的可靠性为99.95%，是世界上最可靠和最成功的液体火箭发动机。基于以上事实，以及火箭发动机巨大且可调的推力，美国宇航局已经决定将航天飞机项目的剩余发动机用于新的太空发射系统，新系统的首次发射已定于在2020年。

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钢、有色金属和超级合金使现代太空探索成为可能，并且依然是运载火箭的主流材料，主要是基于安全的考虑。开发新型材料，尤其是复合材料，还有巨大的想象空间和潜力，新材料的技术进步，也将促进新一代运载火箭和航天器的发展，使它们比以往任何时候都更加强大，更加灵活。

再回到4月9日的火箭发射失败事件，其实我们也不必过分担忧，这世上没有“零失败”的航天工程，人类的航空航天史，本质上就是从一个个失败的教训中走过的历史。

失败不可怕，可怕的是：不能认真检视失败的真实原因，不能找出解决问题的有效措施。

世事皆然。