Elon Musk konečně vysvětlil, jak a proč bude Starship využívat ocel místo uhlíkových vláken

Zkušební prototyp lodi Starship budovaný v jižním Texasu (Foto: Elon Musk)

Elon Musk na konci minulého roku oznámil, že design dlouho připravované rakety BFR prošel velkými změnami. Kromě toho, že první stupeň se nově jmenuje Super Heavy a druhý stupeň ponese označení Starship, Musk také prozradil, že vesmírné plavidlo bude místo uhlíkových kompozitů využívat nerezovou ocel. Musk se od té doby na Twitteru postupně podělil o spoustu dalších informací, které odpověděly na řadu otázek ohledně nového designu rakety, ale v některých věcech stále vládly nejasnosti.

V novém rozhovoru pro Popular Mechanics se ale šéf SpaceX konečně rozpovídal o tom, co vedlo k rozhodnutí přejít z uhlíkových kompozitů na ocel, jaké má tento materiál výhody, a dokonce prozradil, jak bude fungovat naprosto unikátní systém chlazení trupu. Zajímavé také je, že o této radikální změně designu přemýšlel už dlouho, ale nějakou dobu mu trvalo, než přesvědčil inženýrský tým o jejích výhodách. Celý rozhovor jsem pro vás s mírnými úpravami přeložil do češtiny:

Máte plné ruce práce s novým designem lodi Starship.

Design lodi Starship a rakety Super Heavy jsem změnil na speciální slitinu nerezové oceli. Už dlouho jsem to zvažoval. Je to poněkud neintuitivní. Dalo mi docela dost práce přesvědčit tým, abychom se vydali tímto směrem. Ale teď jsou přesvědčeni. Usilovali jsme o konstrukci z pokročilých uhlíkových vláken, ale pokrok byl pomalý a cena za kilogram materiálu je 135 dolarů. A 35 % výroby obvykle vyhodíte – když látku odříznete, část není možné použít. Je to impregnované velmi silnou pryskyřicí a je to celé dost složité. A máte 60 až 120 vrstev.

V čem je ocel lepší?

Na nerezové oceli je neintuitivní to, že je pochopitelně levná a dá se s ní rychle pracovat, ale není úplně zřejmé, že je ve skutečnosti také nejlehčí. Když se podíváte na vlastnosti vysoce kvalitní nerezové oceli, tak není zřejmé, že při kryogenních teplotách je její síla o 50 % vyšší. Většina ocelí je při kryogenních teplotách křehká. Znáte ten trik – postříkáte typickou uhlíkovou ocel kapalným dusíkem a po úderu kladivem se roztříští jako sklo. To platí pro většinu druhů oceli, ale pro nerezovou ocel s vysokým obsahem chromu a niklu ne. Ta se při nízkých teplotách ve skutečnosti zpevní a pořád má vysokou duktilitu. Takže třeba při -200 °C máte pořád 12–18% duktilitu bez rizika prasklin.

Odolnost vůči prasklinám je vlastnost, která určuje, zda při vzniku malé praskliny daný materiál prasklinu zastaví, nebo jestli se bude prasklina rozšiřovat. Takže vám to řekne, jak moc se malý kaz v materiálu rozšíří po opakovaných vibračních zátěžových testech. Například keramika nevyniká v zadržování prasklin. Jakmile prasklina vznikne, keramika se chová jako sklo.

Pak záleží na tom, jaký druh kovu máte – některé kovy mají lepší odolnost vůči prasklinám než jiné – a tato odolnost se někdy odvíjí od teploty. Odolnost je vlastně oblast pod křivkou mechanického napětí a deformace – když něco vystavíte napětí, jak moc se daný objekt dokáže deformovat? Je to důležitá výhoda.

Nerezová ocel se používala v počátcích raket Atlas. Starý Atlas měl balonovou nádrž. Vadou těchto raket bylo, že materiál byl tak tenký, že se zhroutil pod vlastní vahou. V několik případech se Atlas zhroutil na rampě a způsobil neštěstí.

Pokud chcete raketu použít také pro návraty do atmosféry, další výhodou oceli je, že má vysoký bod tání. O dost vyšší než hliník. Uhlíková vlákna se sice netaví, ale při určité teplotě dochází k poškození pryskyřice. Takže u hliníku nebo uhlíkových vláken jste omezeni na operační teplotu kolem 150 °C, nárazově možná 175 °C, ale 200 °C už je opravdu na hraně, kdy dochází k oslabování materiálu. Některé uhlíkové kompozity zvládnou 200 °C, ale ty zase nejsou tak pevné. Oproti tomu ocel vydrží 815–870 °C.

Máte metalurgický tým?

Máme skvělý tým specializující se na materiály, ale na začátku budeme jednoduše používat vysoce kvalitní korozivzdornou ocel 301. Důležitá je ještě jedna věc. Při letu na orbitu potřebujete něco, co je pevné při kryogenních teplotách. Ale při návratu potřebujete něco, co odolá vysoké teplotě. Takže hmotnost tepelného štítu se odvíjí od teplot na rozhraní mezi dlaždicemi tepelného štítu a trupem. Ať už je ten spoj mechanický nebo lepený, určuje tloušťku tepelného štítu.

Například u Dragonu se tloušťka dlaždic tepelného štítu odvíjí od tepla ze štítu, které se nahromadí u spoje s konstrukcí lodi. Takže se neodvíjí od toho, jak se opotřebovává materiál dlaždice. Ve skutečnosti tloušťka závisí na vodivosti dlaždice ke spojovací linii. Nechcete totiž, aby vám odpadávaly dlaždice během klesání na padáku.

Výměna dlaždice z materiálu PICA-X na tepelném štítu lodi Dragon (Foto: SpaceX)

V případě oceli máte materiál, který na rozhraní v pohodě zvládne teplotu přes 800 °C místo oněch 150 °C. To znamená, že závětrná strana ocelové konstrukce nepotřebuje žádný tepelný štít. Na návětrné straně pak chci mít vůbec první regenerativní tepelný štít. Trup bude z dvou vrstev nerezové oceli. Bude to v podstatě ocelový sendvič, kde budou dvě vrstvy spojené příčníky. Mezi těmito dvěma vrstvami pak může proudit voda nebo palivo, a na vnější straně budou velmi malé dírky, kterými bude unikat ta voda nebo palivo. Dírky budou tak malé, že půjdou vidět jen zblízka. Návětrná strana rakety by tedy využívala transpiračního chlazení. Celá raketa by byla lesklá jako chrom, ale jedna strana by byla dvojitá, což zároveň zpevní konstrukci, aby to nedopadlo jako staré Atlasy. Takže vlastně máte tepelný štít, který zároveň slouží jako nosná konstrukce. Pokud vím, něco takového dosud nikdo nenavrhnul.

Elon k tomu pak na Twitteru ještě dodal:

Při teplotě kolem 1476 °C  je měrná tepelná kapacita důležitější než latentní teplo z odpařování, a proto je [pro chlazení] kryogenní palivo o trochu lepší volba než voda. Navíc i přes vysokou okolní teplotu může rychlé odpaření vody poněkud neintuitivně způsobit rychlé zmražení a ucpat tak chladící kanálky.

Kde vezmete tu ocel?

Je to obyčejná nerezová ocel 301. Řeknu to takhle: z nerezové oceli 304 se vyrábějí hrnce, takže jí je dostatek.

Jak to ovlivní harmonogram?

Zrychlí ho to. S ocelí se velice snadno pracuje.

A zapomněl jsem zmínit, že uhlíkový kompozit vyjde na 135 dolarů za kilogram, ale 35 % vyhodíte, takže se blížíte spíše k 200 dolarům za kilogram. Ocel stojí 3 dolary za kilogram.


Líbí se vám takovéto články? Chodíte na ElonX rádi a chtěli byste, aby web zůstal bez reklam a redakce mohla nadále vydávat kvalitní obsah? Vyjádřete svou podporu a spokojenost pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už web podpořili. Děkujeme za přízeň!




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
207 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře