技术上的许多最伟大的进步可以追溯到卓越的特性，这些特性可以通过用金属制造零件或合金化不同的金属以获得更优质的材料来实现。

除了材料本身之外，制造技术还从大约在公元前6世纪敲击铜[1]演变到最近的钛3D打印。

20世纪最大的进步之一无疑是人类对太空的冒险。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中的要求非常复杂，并且通常与常见的工程应用存在很大差异。

例如，结构材料需要承受大的力时的最大空气动力学压力在上升阶段，低温下在液体燃料系统中，高的温度的燃烧和排气部和氢脆[2]，在当使用氢作为燃料。如果还不够，那么所使用的所有组件都必须非常轻巧。运载火箭无法接受大量零件的原因是基于火箭科学的基础，即火箭方程。

为什么全部都是大众

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，并提出了他的火箭方程[3]，如图1所示。从该方程可以看出，火箭的结构质量起着至关重要的作用。

图1：火箭方程的示意图。整个燃料从初始状态燃烧到最终状态，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。

火箭仅仅是运输系统，其唯一目的是传递有效载荷。通过以最高可达到的速度排出火箭推进剂来实现该目的。到达低地球轨道所需的Δv约为8 km / s [4]。获得这种Δv所需的推进剂分数在83-94％的范围内，具体取决于推进剂的类型[5]。

质量的其余部分（m f）由火箭的结构材料和有效载荷共享。因此，火箭的结构质量越低，对于给定数量的燃料，有效载荷的质量就越高。

许多金属具有高密度。由于无法将组件制造成无限薄，因此高密度材料通常会导致产生大量零件。您可能会想知道，可用的低密度金属，例如铝， 镁 和锂呢？

所有这些金属的确确实在某种程度上适用于空间结构，但它们有一些共同的缺点。即，较低的熔点和较高的化学反应性，使其不适合与低温燃料或热废气接触的部件。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机械载荷。尽管密度相对较高，但要依靠一天来维护某些知名金属，例如镍，铬，钴和铁。

最近，在接受Elon Musk采访时，他强调了这些金属的实用性，他宣布用不锈钢而不是先进的碳纤维结构来制造Starship和Super Heavy火箭助推器。在新设计中，不锈钢301用于结构材料和隔热板的多功能集成。

从低温到1100 K的宽工作温度范围，使该钢胜过铝和碳纤维结构，并且在比较所需质量的情况下使其成为三种中最轻的。

结构，管道和水箱

通常，火箭结构的最大质量集中在推进剂箱中，推进剂箱通常也集成在一起以承受结构载荷[6]。因此，推进剂罐必须在低温下承受适度的压力，同时还要承受上升过程中机械负载的剧烈变化。常见的设计是坚固的铝合金外壳，即使不从内部加压也可以支撑自身的重量。

从历史上看，2000系列铝合金已被用于结构储罐。该材料系列由铝铜合金组成，铜的重量百分比在0.9-6.3％的范围内[6,7]。

在这些合金中，金属间化合物CuAl 2会起到增强作用，同时添加硅，锂和微量的锰，镁和钛以改善可锻性并抑制应力腐蚀。铝合金的一个有利特性是它们在低温下的抗张强度提高，这使其对于这种应用特别有吸引力。

为了将燃料从油箱供入发动机并连接其他辅助加压系统，使用了供油管线和管道。这些组件的金属需要具有较高的延展性，以允许必要的曲率。同样，在低温下保持强度和延展性以及与传导流体的化学相容性也很重要。

前面提到的氢脆对于管道特别重要。耐腐蚀的SUS321不锈钢是火箭管的主要使用材料[8]。这种钢富含铬和镍，并由0.3-0.7％的钛稳定。其他合适的材料是镍基超合金Inconel718和不锈钢A-218，它们都部署在航天飞机主机（SSME）中。表1概述了用于制造SSME的主要材料。

火箭发动机–工程杰作

毫无疑问，发动机是火箭最脆弱的部分。火箭燃烧室中的热梯度是无法理解的：20 K的液态氢用于冷却面对超过2000 K的废气的燃烧室内壁[9]，整个距离都小于一毫米。

液体火箭发动机的工作原理非常简单。推力大约等于质量流量乘以排气速度。这两个数量已针对火箭发动机的极端情况进行了优化。为了获得高的质量流量，每种推进剂都应配备专用的涡轮泵。

甲钛基合金已被证明是用于涡轮泵叶片和外壳的理想材料。涡轮泵由部分推进剂的燃烧提供动力。燃烧产生的废气通过管道输送到主燃烧室，在此与高压推进剂的主流混合。然后点燃混合物，使其膨胀，唯一的出路就是喷嘴的开口端。

图2：SSME的推进剂流程图[10]。液态氢（LH 2）和氧气（LOX）被用作推进剂。部署两个涡轮泵以实现高推进剂流速，同时喷嘴和主燃烧室由液态氢冷却。通过预热推进剂可以提高系统效率。

火箭喷嘴本身具有非常巧妙的设计，该设计源自基本的物理方程式。它由一个汇流段组成，排气达到音速。在这一点上，热气体膨胀的特性变化和截面变宽（喷嘴横截面积增加）变得有利，从而气体加速到超音速，直到喷嘴退出。

该技术可以实现的典型排气速度约为4,000 m / s。喷嘴内表面的热负荷可以达到22 MW /m²[9]，与聚变反应堆内部的热负荷相当，或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。在操作过程中，那里的环境非常恶劣，以至于所使用的材料很可能首先失效，从而导致发动机故障并可能导致任务失效。点燃时，冷却通道和内壁之间的压力差约为20 MPa，约为大气压的200倍。主燃烧室壁的几何形状在图3中以横截面表示。

图3：SSME主燃烧室的横截面[11]。创新的铜合金NARloy-Z [12]被部署为通过用液态氢主动冷却来承受推进剂燃烧产生的巨大热通量。

在讨论了NARloy-Z是如何设计和特别增强的之后，您对如何减小增强效果有何猜想？必须记住合金与巨大的氧气直接接触。例如，如果由于排气流中的某些湍流而使壁温超过866 K，则银开始凝聚，从而降低材料强度。

这样的温度还可以使氧气大量扩散到材料中，达到锆完全被氧气饱和并且金属间化合物开始分解的程度[14]。

此时，两种增强机制都将崩溃，并且由于施加的高压会在材料内形成裂纹。材料内的裂缝充当热障，热量无法有效地传导至冷却剂。因此，温度进一步升高。

一旦进入这个恶性循环，组件故障就迫在眉睫，冷却剂（液态氢推进剂！）将开始泄漏到燃烧室中，而不会控制点火。这不是直接关键的，但整体发动机效率将降低到无法再达到启动所需的Δv且启动失败的程度。

尽管SSME是在1970年代和80年代开发的，但其技术仍在可预见的未来具有重要意义。据报道，SSME的可靠性为99.95％[15]，使其成为迄今为止世界上最可靠，最成功的液体推进剂火箭发动机。这一事实加上其高且可节流的推力，促使NASA决定将航天飞机计划的其余发动机用于其新的太空发射系统，首次发射定于2020年。

金属和高度优化的超级合金使现代太空探索成为可能。然而，开发新型材料，尤其是复合材料[16]的可能性几乎是无限的，并且将促进新一代运载火箭和航天器，它们比以往任何时候都更加强大和灵活。