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[美国] SpaceX的火星梦(第二季):星舰(Starship)综合讨论帖

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 楼主| 发表于 2020-1-12 21:56:04 | 显示全部楼层
估计这条微博发出去,会被SpaceX的粉丝集体围攻,不过没关系,一直是有啥说啥。

有关昨天的强度试验(图1为动图,图2为炸前,图3为炸后),从目前的视频和图片,再结合马吹吹的推特,总的来讲这次试验并不是很成功。如无意外,SpaceX还会继续开展类似的强度试验(低温或常温)。好了,想骂的可以直奔评论区了,想听理由的可以继续往下看。






昨天的这次测试从目前来看是一次爆破试验,就是要加压到爆炸为止,根据SpaceX的设计,飞行状态下贮箱内载荷最大约6bar,最终爆炸时压力达到了7.1bar。那么是否是爆炸时压力高过飞行状态压力就是成功呢?其实并不是,有关这个问题,在上次星舰MK1炸飞前底的时候就和专业设计人员请教过,也查过相关文献。按照业界通行惯例,贮箱的实际强度应该预留额外的设计裕量,也就是所能耐受的内压应在飞行压力的基础上乘以一个系数,这个系数根据设计风格和技术积累的不同也有所不同,一般取值在1.2-1.4之间。



如果按照1.2的下限,那么爆炸时压力应该达到7.2bar,所以7.1bar的情况很贴近,但不满足20%设计裕量的。这在飞行出现异常时可能无法“扛”过去,但是这个裕量并不是固定的,也有资料指出美国的设计上裕量普遍所留较国内更低,而SpaceX在设计挖潜上历来出名,也不排除其只留有10%或者15%设计裕量的可能(猎鹰9会测到1.1倍)。如果是这样,马吹吹所说的pretty good是合理的(下图)。而说到载人的设计裕量,根据NASA要求确实是留到1.4倍即可,作为以载人为目标的星舰二级,现在这个强度显然还不够。





那么有人问,裕量留这么低干嘛,往高了留多好?其实火箭总体设计是一个典型的“鱼和熊掌”过程,增加设计裕量最简单的办法就是增加贮箱壁厚。但这么做这会直接让贮箱变得更重,从而降低火箭干质比,影响火箭的运力水平。星舰(BFR)由于采用了强度高但密度高的301冷轧不锈钢(图4,这次还是奥托昆普供货,3.95毫米厚,1.8米宽),这本身就对干质比有很大负面影响,若不在其他方面降低干质比,会大幅影响火箭运力水平,所以SpaceX挖潜设计裕量是有可能的。





那有没有设计裕量过高的例子呢?当然有,而且就在最近,NASA的亲儿子SLS在去年底也做了类似的爆破试验,试验结果是SLS的芯级贮箱在高达2.6倍飞行状态压力的情况下,支撑了长达半个小时后才沿着非焊缝的一条裂纹爆开(图5)。相对于上文所说的1.2-1.4,SLS的贮箱强度储备显然太高了。但SLS仍是传统NASA大总体的项目,再考虑其载人的要求和“大国重器”的身份,留这么多裕量也不稀奇。但这么高的设计裕量,必然会拉低SLS的运力水平,但SLS有SSME、SRB、RL-10三大“动力神器”加持,贮箱搞这么保守只能说是发动机太强可以任性。但我个人认为,其实这应该属于“过设计”的范畴了,但是NASA这些年在载人项目上保守的要命,也能理解。





另外,我刚才强调SLS爆开是沿着非焊缝裂开,为什么特意这么说呢?这要从SpaceX上次星舰MK1的炸飞前底说开来,当时的这次试验肯定和昨晚的试验不同,不是以爆破为目的的低温强度试验,因为MK1本来是要进行20公里亚轨道飞行的,你都炸上天了还飞个毛啊。结果意外发生了爆炸,而且最关键的是,爆裂是沿着贮箱短壳和筒段的环形焊缝齐齐爆开(图6),所以上次我就在文末推测事故原因最有可能的就是——焊缝不合格,或者关联到焊接工艺不合格。





之所以这么说,是因为贮箱焊接是否合格的基本原则就是——焊缝强度必须高于母材强度,至少也要等于母材强度。也就是常说的超强匹配或等强匹配。反之如果爆裂是沿着焊缝延展,就证明焊缝强度低于母材,属于低强匹配,焊接不合格。所以当时的分析就是SpaceX应该会考虑换用更新更好的焊接工艺,同时专门进行试验。



这次SpaceX特意重新焊接了一个同为9米直径的贮箱试验件,大概率就是为了试验新的焊接和拼装工艺,尤其是焊接。关键证据是现场图片中清晰可见的是,公司换用了Tip Tig的All in one焊机(图7、8)。Tip Tig也是一种焊接方法的名字(图9为焊机介绍),这种焊接方式利用专利的高速送丝(焊丝)机构,能够达到与MIG焊接一样的熔敷效率,但是却给出和TIG焊接一样的焊缝质量和优良的冶金性能和机械力学性能。尤其是高速往复送丝机构的焊丝对熔池的搅拌功能有效地破坏金属熔池及熔滴表面张力,不但能大幅度提高熔敷效率,改善金属的熔敷性能,而且使熔池中产生和裹挟的气体、杂质容易逃逸,从而保证焊缝具有优良的冶金性能和机械力学性能。根据相关文献和厂家的介绍,这种焊接方式已经广泛应用在了国外基于不锈钢的LNG储罐上。根据国内公开的工艺评定文献记录,基于316不锈钢的LNG储罐焊接中,Tip Tig焊缝的强度明显高于母材。









由于不锈钢是非常成熟的焊接母材,其工艺也很成熟,所以SpaceX又发挥了其善于向工业界取经的风格。借用工业界的成熟技术,不断试验,快速迭代改进,这就是这家公司成功的精髓之一。



但虽然换用了Tip Tig的焊接方式,此次试验结果似乎也并不乐观,从NSF的曝光图片和视频来看(图10,图11为典型贮箱结构),爆裂还是发生在焊缝上,只不过这次改为发生在前底(图中Dome)和短壳(图中Ring)的焊缝上,上次是短壳和筒段之间,还是焊缝强度低于母材,这也是前文我说大概率还会继续进行类似试验逐步改进焊接工艺的原因。







好了,就说这么多,后续有更新我们在继续跟踪。



看完全文后想开喷的也可以直奔评论区了。



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发表于 2020-1-12 22:49:55 | 显示全部楼层
这样的焊接节点对接不算对接,角焊缝也不是角焊缝,而且板薄的话角焊缝的焊脚很小小,焊缝受力条件很恶劣,就算静载过得去动载和疲劳性能指定不会好......结构需要设计成这样的话,可以在重叠部分开塞焊孔阵列,用塞焊增加“底”和“短壳”之间的焊缝有效截面,如果板子太薄不容易塞焊,也可以用汽车白车身常用的点焊方法(激光点焊,超声波点焊)做出环形点焊阵列,给环形“角焊缝”减负
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发表于 2020-1-15 12:46:00 | 显示全部楼层
搬运,搬运,中间那个大球体是干嘛的?哪位专家知道啊?






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发表于 2020-1-15 12:50:44 | 显示全部楼层
wuxiaod1987 发表于 2020-1-12 22:49
这样的焊接节点对接不算对接,角焊缝也不是角焊缝,而且板薄的话角焊缝的焊脚很小小,焊缝受力条件很恶劣, ...

大佬,你这个塞焊和点焊都是啥意思?能详细解释一下么?
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发表于 2020-1-15 16:08:45 | 显示全部楼层
wuxiaod1987 发表于 2020-1-12 22:49
这样的焊接节点对接不算对接,角焊缝也不是角焊缝,而且板薄的话角焊缝的焊脚很小小,焊缝受力条件很恶劣, ...

这么大的容器起码也有六毫米厚吧,应该不算很薄的钢板。
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发表于 2020-1-15 16:51:19 | 显示全部楼层
卡角看门兵 发表于 2020-1-15 12:50
大佬,你这个塞焊和点焊都是啥意思?能详细解释一下么?

塞焊就是在重叠面的一侧开一系列孔(比如外侧面),然后焊接用熔敷金属把孔填满,这样用于两面板材连接的焊缝实际面积就会变得较大;
点焊就把两面金属局部压在一起,进行局部加热(激光,摩擦,超声波),在加热区域形成焊点;
其实就像加几圈铆钉给焊缝卸载的意思,但是在内侧不会留下任何孔洞、毛刺,也不会对容器密性有削弱。不过因为板薄,焊接作业可能还是得预热缓冷,否则该裂了。
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 楼主| 发表于 2020-1-16 09:36:14 | 显示全部楼层
卡角看门兵 发表于 2020-1-15 12:46
搬运,搬运,中间那个大球体是干嘛的?哪位专家知道啊?

从图三来看,我的判断没有问题,确实是从前底和短壳的焊缝裂开的,这样一来,焊缝还是存在问题,后续继续做试验吧。
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 楼主| 发表于 2020-1-16 09:47:16 | 显示全部楼层
acyun38 发表于 2020-1-15 16:08
这么大的容器起码也有六毫米厚吧,应该不算很薄的钢板。

只有4mm,我之前长篇里面贴的很清楚了,钢板牌号都标出来了。
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发表于 2020-1-18 07:36:22 来自手机 | 显示全部楼层
卡角看门兵 发表于 2020-1-15 12:46
搬运,搬运,中间那个大球体是干嘛的?哪位专家知道啊?

好像是液氧储罐
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发表于 2020-1-18 09:29:27 来自手机 | 显示全部楼层
机械构造体001 发表于 2020-1-18 07:36
好像是液氧储罐

如图,liquid oxygen header tank

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发表于 2020-1-18 18:36:43 | 显示全部楼层
机械构造体001 发表于 2020-1-18 09:29
如图,liquid oxygen header tank

那就是大号燃料罐里面那个小燃料罐吧,用于专门着陆时候使用的燃料就存在这里,防止在太空中过度蒸发。
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发表于 2020-1-24 12:22:32 | 显示全部楼层
SpaceX再度起诉美国空军,牛鼻。。。服,客户起诉军队。。。

翻译是从贴吧小姐姐那里搬运的。

太空新闻 2020年1月22日


SpaceX已将其对空军发射服务协议合同(LSA)的抗议提交给加州法院,要求加州中区米国地方法院于3月2日举行听证会,审议该公司对米国空军长达8个月的抗议。
~ SpaceX于今年1月8日提出了一项听证请求,要求法院对此案作出裁决,该公司正在推进一项最初于(去年)5月向米国联邦索赔法院提交的抗议,抗议空军在2018年10月将火箭开发合同授予Blue Origin(开发New Glenn,5亿)、诺格(开发Omega,7.62亿)和ULA(开发Vulcan,9.67亿)的决定,这些合同旨在帮助这些公司支付开发新火箭和赢得第二阶段合同所需的基础设施费用。(附:当时SpaceX提交的是Starship项目)。SpaceX认为,米国空军做出了一个不公平的决定,将23亿美元的所谓发射服务协议授予三家发射供应商,却不包括SpaceX。而米国政府和三家收到空军合同的公司于今年1月17日提出动议,反对SpaceX的要求。
~ 米国联邦索赔法院去年8月以法院缺乏管辖权为由驳回了抗议,并同意将案件移交加州地方法院。联邦索赔法院裁定,LSA是不能像标准采购合同授予那样受到法律质疑的合作协议。SpaceX于去年9月13日向加州法院提出了申诉,并于12月23日提出了补充申诉。此案的结果可能会产生重大影响,因为三名LSA获奖者和SpaceX都在争夺两份“从2022年开始为空军提供为期五年的发射服务”的合同。米国空军计划在2020年为国家安全航天发射第二阶段发射服务采购(NSSL, National Security Space Launch Phase 2 Launch Service Procurement)选择两家供应商。
~ 如果没有得到LSA的奖励金,SpaceX必须自己支付新火箭开发全部费用。SpaceX认为,这给公司造成了经济损失,也造成了“无法弥补的伤害”,因为没有得到LSA,意味着SpaceX无法直接了解空军在第二阶段竞争中的设计优先权和技术要求。
~ 今年1月8日提交的补充申诉和动议是一份经过大量修改的文件,重新整理了原投标抗议书中提出的相同论点,但增加了一些细节。导言以已故参议员麦凯恩在2016年发表的讲话作为开场白,他对米国依赖俄毛RD180发动机表示失望,并谴责空军和ULA在终结使用该发动机方面做得不够。SpaceX用尖锐的语言解释了为什么它认为空军做出了一个不合理的决定,诉状称,米国空军做出决定的理由是,公司开发的星舰项目对于奖励金来说风险太大 “too risky for an LSA award”。
~ SpaceX提议以F9和FH来执行大部分国家安全任务(称为A/B类任务),而使用星舰来执行发射频率较低的C类任务(即将最重的有效载荷送入轨道),而空军评估人员认为 “星舰的技术和能力大大超过了其他提供的发射系统,这将改变国家安全空间的游戏规则。” 空军的结论是,SpaceX需要最大的政府投资才能使星舰适合C类发射。SpaceX在诉状中称,星舰的风险并不比LSA获奖者正在开发的其他运载工具高,“Conceptual launch solutions that have not been built, tested, launched or certified for any missions 任何任务都需要概念性建造、测试、发射或认证的发射方案”,“与竞争对手的新型火箭相比,F9和FH在执行A/B类任务时的风险较小,但空军将SpaceX排除在LSA的资助范围之外,理由是他们认为星舰不足以执行C类任务。拥有可执行A/B类任务的现成火箭比C类火箭更为紧迫。第二阶段的采购,要求A/B类任务在2022年前发射,而C类任务则要到2025年才执行。因此,这就是俗话说的“尾巴摇狗”(the proverbial tail wag the dog,即将不重要的部分夸大,以控制整件事情的基调)。
~ 接下来怎么办??航天法律与政策解决方案公司(Space Law&Policy Solutions)创始人Michael Listner说,尽管SpaceX在2014年成功起诉了空军,但很难预测这起LSA案件的结局。SpaceX提出的论点与多年来关于空军做出的有利于ULA的决定相同,空军没有因为SpaceX给国家安全发射市场带来的能力而给予他们荣誉。他说:“我不知道这次是否奏效,但总有50%的机会。”
~ SpaceX的一位发言人告诉太空新闻,公司将继续在加州地方法院进行与联邦索赔法院相同的诉讼。SpaceX在去年5月提交投标抗议时表示,公司“恭敬地反对空军LSA裁决。虽然我们支持空军按照目前的计划推进其国家安全航天发射第二阶段采购战略,但我们正在正式挑战空军的LSA决定,以确保公平的竞争环境。”


The end.



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 楼主| 发表于 2020-1-26 13:31:08 | 显示全部楼层
继续炸!







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发表于 2020-1-28 09:19:56 来自手机 | 显示全部楼层
这次的结果

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发表于 2020-1-28 09:57:22 来自手机 | 显示全部楼层
机械构造体001 发表于 2020-1-28 09:19
这次的结果

还没完呢,修不完继续试,改加液氮了
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