SpaceX一直關注細節工藝

自從星際飛船（Starship）概念設計首次亮相以來，SpaceX就一直渴望擴大其規模。StarshipV2已經完成了兩次飛行和五架原型的制造，這使得即將問世的Starship V3成為目前最受期待的進展。Starship的每次迭代都變得更加強大，與此同時，SpaceX從未放棄對細節的追求，非常重視星際飛船火箭的視覺吸引力。這一切都離不開其對包含焊接在內的基礎工藝的研究。

不斷升級焊接技術

和早期的Starship相比，如今的星際飛船擁有光滑的拋光表面，未來的Starship V3 可見的焊接線甚至可能會消失。SpaceX不斷改進和升級其焊接技術，以組裝火箭的各個部分。焊接是連接火箭發動機中金屬部件的關鍵工藝，火箭發動機必須承受極端的溫度、壓力和振動。

早期放棄碳纖維，使用不銹鋼

最初，SpaceX計劃使用碳纖維復合材料建造星際飛船，碳纖維以其卓越的強度而聞名，因此這個決定似乎合乎邏輯，但最終Starship的原型采用了不銹鋼的設計。雖然這一舉動起初令人驚訝，但SpaceX有其充足的理由。

首先就耐熱性而言，碳纖維在200°C時就會開始降解，需要較厚的隔熱罩才能承受1600°C的再入溫度。相比之下，不銹鋼的耐熱性自然要高得多，而且只需要較薄的隔熱罩。就成本而言，不銹鋼的價格約為每公斤3美元，而碳纖維的價格為每公斤150美元。此外，使用鋼材加工要簡單得多，也更加靈活。如果要生產9米寬的碳復合材料部件，則需要一個前所未有的大型高壓釜。

最初使用電弧焊，外觀粗糙

除了選擇合適的材料，SpaceX 還面臨著焊接技能和技術方面的挑戰。其第一支焊接團隊來自一家在航空航天領域經驗不足的水塔制造公司，在焊接4.5毫米厚的301不銹鋼板時面臨著巨大的困難。

Starship最初使用藥芯焊絲電弧焊。雖然這種方法在受控環境下是有效的，但SpaceX是在大型帳篷內建造飛船，許多焊接工作都是由相對缺乏經驗的工人在戶外完成的，導致星際飛船的外觀效果不理想。被稱為Mark 1的第一架原型機上的焊縫出現了腐蝕開裂和邊緣粗糙的跡象。

早期焊接風險較高

為了改進焊縫，SpaceX 將焊縫打磨至與表面齊平。這不僅僅是為了美觀，實際上也使焊縫更堅固。當Starship加壓時，鋒利的邊緣和小裂紋可能會導致更大的問題。平滑表面消除了這些問題并降低了焊縫失效的風險。

理想情況下，每個焊縫都應該與周圍的金屬一樣堅固，然而Starship的首次測試證明事實并非如此。在測試中，Mark1的水平焊縫失效，導致艙壁分離后爆炸。

引入tip-tig焊接，實現更高的精度和強度

為了應對這些挑戰，SpaceX 對下一代原型SN1進行了重大改進。每個環使用更薄的不銹鋼板，從而減少了所需的焊接量。將301不銹鋼換成了304L，這種材料在焊接過程中更耐腐蝕。與此同時，他們還升級到了tip-tig焊接工藝，這使得他們能夠更好地控制焊接熔池。而且實現更高的精度和更堅固的連接，以及20%的質量減輕。從那時起，每個環都由更薄的單片不銹鋼制成，需要的焊接更少。

特定部件引入激光焊接

除此之外，SpaceX還為星際飛船的特定部件引入了激光焊接。激光焊接以其精確性和靈活性而聞名，熱量更集中并更深地滲透到金屬中，從而可以一次性焊接整個環段。通過引入激光焊接，SpaceX進一步豐富了其焊接能力，能夠熟練有效地應對更廣泛的焊接挑戰。

使用大型噴丸機，加固焊接區域

由于焊接過程中，熱量會軟化焊接區域的金屬。為了增強每個焊點的強度，SpaceX使用了大型噴丸機。噴丸工藝包括敲擊焊點、壓縮焊點，直到其硬度與周圍金屬相匹配。這一過程還能使焊點表面更加光滑，并改善其外觀。

燃料箱使用攪拌摩擦焊

SpaceX還為其Starship的燃料箱采用了攪拌摩擦焊FSW。這是一種固態焊接工藝，不需要熔化任何被連接的材料。相反，金屬被軟化到足以在表面通過少量機械輔助進行混合。這種方法可實現卓越的機械性能，例如高疲勞強度和硬度，同時將焊接區域的缺陷降至最低?；鸺剂舷湫枰獦O高的結構強度，傳統的焊接方法或鉚釘等非永久性連接無法滿足這一要求。

材料更新為304L不銹鋼，

焊接強度高、低溫耐腐蝕性強

SpaceX在焊接技術發展的同時，材料選擇的戰略性變化也同步進行。其中最顯著的變化之一是用304L不銹鋼取代301不銹鋼，這能夠實現更堅固、更耐腐蝕的焊接。304L不銹鋼相比301和標準304不銹鋼碳含量低。在焊接等高溫環境下，鉻和碳會發生反應，形成易開裂和腐蝕的區域。

304L不銹鋼的耐腐蝕性能遠超301不銹鋼，尤其在太空探索的極低溫度下表現出色。在如此嚴酷的條件下，304L不銹鋼展現出令人印象深刻的強度和韌性，性能遠超301不銹鋼。這種在低溫下優異的抗脆性和抗變形能力對于保持星際飛船焊縫的結構完整性、防止太空任務期間發生故障的風險起著至關重要的作用。

Starship V2的焊接技術明顯進步

Starship V2 的首批原型機已經顯示出顯著的改進。與之前版本相比，Strship V2 上的焊縫幾乎看不見，營造出無縫統一結構的印象。這不僅表明結構強度有所提高，也展示了焊接技術的進步。這預示著未來Starship V3 將具有都更時尚、更耐用的外觀。

先進的焊接技術將通過減少結構應力和簡化翻新流程，在實現Starship完全可重復利用這一目標方面發揮關鍵作用。

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本文轉載自“Achillesccj ”，原標題《Starship背后的焊接工藝和材料迭代》。

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