技術上的許多最偉大的進步可以追溯到卓越的特性，這些特性可以通過用金屬制造零件或合金化不同的金屬以獲得更優質的材料來實現。

除了材料本身之外，制造技術還從大約在公元前6世紀敲擊銅[1]演變到最近的鈦3D打印。

20世紀最大的進步之一無疑是人類對太空的冒險。運載火箭將科學或商業有效載荷運送到環繞地球的穩定軌道中的要求非常復雜，并且通常與常見的工程應用存在很大差異。

例如，結構材料需要承受大的力時的最大空氣動力學壓力在上升階段，低溫下在液體燃料系統中，高的溫度的燃燒和排氣部和氫脆[2]，在當使用氫作為燃料。如果還不夠，那么所使用的所有組件都必須非常輕巧。運載火箭無法接受大量零件的原因是基于火箭科學的基礎，即火箭方程。

為什么全部都是大眾

1903年，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）將動量守恒應用于火箭，并提出了他的火箭方程[3]，如圖1所示。從該方程可以看出，火箭的結構質量起著至關重要的作用。

圖1：火箭方程的示意圖。整個燃料從初始狀態燃燒到最終狀態，導致火箭速度Δv發生變化。初始質量和最終質量之間的差異與排氣速度共同決定了火箭可以達到的速度。

火箭僅僅是運輸系統，其唯一目的是傳遞有效載荷。通過以最高可達到的速度排出火箭推進劑來實現該目的。到達低地球軌道所需的Δv約為8 km / s [4]。獲得這種Δv所需的推進劑分數在83-94％的范圍內，具體取決于推進劑的類型[5]。

質量的其余部分（m f）由火箭的結構材料和有效載荷共享。因此，火箭的結構質量越低，對于給定數量的燃料，有效載荷的質量就越高。

許多金屬具有高密度。由于無法將組件制造成無限薄，因此高密度材料通常會導致產生大量零件。您可能會想知道，可用的低密度金屬，例如鋁， 鎂 和鋰呢？

所有這些金屬的確確實在某種程度上適用于空間結構，但它們有一些共同的缺點。即，較低的熔點和較高的化學反應性，使其不適合與低溫燃料或熱廢氣接觸的部件。復合材料和陶瓷具有很高的強度和化學穩定性，但它們通常太脆而無法承受機械載荷。盡管密度相對較高，但要依靠一天來維護某些知名金屬，例如鎳，鉻，鈷和鐵。

最近，在接受Elon Musk采訪時，他強調了這些金屬的實用性，他宣布用不銹鋼而不是先進的碳纖維結構來制造Starship和Super Heavy火箭助推器。在新設計中，不銹鋼301用于結構材料和隔熱板的多功能集成。

從低溫到1100 K的寬工作溫度范圍，使該鋼勝過鋁和碳纖維結構，并且在比較所需質量的情況下使其成為三種中最輕的。

結構，管道和水箱

通常，火箭結構的最大質量集中在推進劑箱中，推進劑箱通常也集成在一起以承受結構載荷[6]。因此，推進劑罐必須在低溫下承受適度的壓力，同時還要承受上升過程中機械負載的劇烈變化。常見的設計是堅固的鋁合金外殼，即使不從內部加壓也可以支撐自身的重量。

從歷史上看，2000系列鋁合金已被用于結構儲罐。該材料系列由鋁銅合金組成，銅的重量百分比在0.9-6.3％的范圍內[6,7]。

在這些合金中，金屬間化合物CuAl 2會起到增強作用，同時添加硅，鋰和微量的錳，鎂和鈦以改善可鍛性并抑制應力腐蝕。鋁合金的一個有利特性是它們在低溫下的抗張強度提高，這使其對于這種應用特別有吸引力。

為了將燃料從油箱供入發動機并連接其他輔助加壓系統，使用了供油管線和管道。這些組件的金屬需要具有較高的延展性，以允許必要的曲率。同樣，在低溫下保持強度和延展性以及與傳導流體的化學相容性也很重要。

前面提到的氫脆對于管道特別重要。耐腐蝕的SUS321不銹鋼是火箭管的主要使用材料[8]。這種鋼富含鉻和鎳，并由0.3-0.7％的鈦穩定。其他合適的材料是鎳基超合金Inconel718和不銹鋼A-218，它們都部署在航天飛機主機（SSME）中。表1概述了用于制造SSME的主要材料。

火箭發動機–工程杰作

毫無疑問，發動機是火箭最脆弱的部分。火箭燃燒室中的熱梯度是無法理解的：20 K的液態氫用于冷卻面對超過2000 K的廢氣的燃燒室內壁[9]，整個距離都小于一毫米。

液體火箭發動機的工作原理非常簡單。推力大約等于質量流量乘以排氣速度。這兩個數量已針對火箭發動機的極端情況進行了優化。為了獲得高的質量流量，每種推進劑都應配備專用的渦輪泵。

甲鈦基合金已被證明是用于渦輪泵葉片和外殼的理想材料。渦輪泵由部分推進劑的燃燒提供動力。燃燒產生的廢氣通過管道輸送到主燃燒室，在此與高壓推進劑的主流混合。然后點燃混合物，使其膨脹，唯一的出路就是噴嘴的開口端。

圖2：SSME的推進劑流程圖[10]。液態氫（LH 2）和氧氣（LOX）被用作推進劑。部署兩個渦輪泵以實現高推進劑流速，同時噴嘴和主燃燒室由液態氫冷卻。通過預熱推進劑可以提高系統效率。

火箭噴嘴本身具有非常巧妙的設計，該設計源自基本的物理方程式。它由一個匯流段組成，排氣達到音速。在這一點上，熱氣體膨脹的特性變化和截面變寬（噴嘴橫截面積增加）變得有利，從而氣體加速到超音速，直到噴嘴退出。

該技術可以實現的典型排氣速度約為4,000 m / s。噴嘴內表面的熱負荷可以達到22 MW /m2[9]，與聚變反應堆內部的熱負荷相當，或太陽表面輻射熱通量的三分之一。 。

液體火箭發動機的核心是主燃燒室。在操作過程中，那里的環境非常惡劣，以至于所使用的材料很可能首先失效，從而導致發動機故障并可能導致任務失效。點燃時，冷卻通道和內壁之間的壓力差約為20 MPa，約為大氣壓的200倍。主燃燒室壁的幾何形狀在圖3中以橫截面表示。

圖3：SSME主燃燒室的橫截面[11]。創新的銅合金NARloy-Z [12]被部署為通過用液態氫主動冷卻來承受推進劑燃燒產生的巨大熱通量。

在討論了NARloy-Z是如何設計和特別增強的之后，您對如何減小增強效果有何猜想？必須記住合金與巨大的氧氣直接接觸。例如，如果由于排氣流中的某些湍流而使壁溫超過866 K，則銀開始凝聚，從而降低材料強度。

這樣的溫度還可以使氧氣大量擴散到材料中，達到鋯完全被氧氣飽和并且金屬間化合物開始分解的程度[14]。

此時，兩種增強機制都將崩潰，并且由于施加的高壓會在材料內形成裂紋。材料內的裂縫充當熱障，熱量無法有效地傳導至冷卻劑。因此，溫度進一步升高。

一旦進入這個惡性循環，組件故障就迫在眉睫，冷卻劑（液態氫推進劑！）將開始泄漏到燃燒室中，而不會控制點火。這不是直接關鍵的，但整體發動機效率將降低到無法再達到啟動所需的Δv且啟動失敗的程度。

盡管SSME是在1970年代和80年代開發的，但其技術仍在可預見的未來具有重要意義。據報道，SSME的可靠性為99.95％[15]，使其成為迄今為止世界上最可靠，最成功的液體推進劑火箭發動機。這一事實加上其高且可節流的推力，促使NASA決定將航天飛機計劃的其余發動機用于其新的太空發射系統，首次發射定于2020年。

金屬和高度優化的超級合金使現代太空探索成為可能。然而，開發新型材料，尤其是復合材料[16]的可能性幾乎是無限的，并且將促進新一代運載火箭和航天器，它們比以往任何時候都更加強大和靈活。