SSME主燃燒室的橫截面 目前,使用新型的銅合金NARloy-Z(Cu-3wt%Ag-0.5wt%Zr)作為內襯,使用液氫主動冷卻技術對其冷卻,來承受推進劑燃燒時產生的巨大熱通量。NARloy-Z的強化機制是“固溶強化+析出強化”。NARloy-Z合金的固溶強化來源于Ag,而析出強化來源于Cu4Zr或Cu5Zr金屬間化合物。需要指出的是,在火箭發動機的工作環境下,NARloy-Z合金直接和巨量的熱態氧氣接觸。一旦由于排出氣流中的某些湍流使局部壁溫超過866K時,NARloy-Z合金中的銀會開始發生偏聚,從而降低材料強度;同時,這樣的溫度也能使氧大量擴散到材料中,以至于Zr(鋯)被完全氧化,導致金屬間化合物開始分解。在這種人為施加的高溫高壓下,NARloy-Z合金的兩種強化機制都會崩潰,材料內部會形成裂縫,材料內部的裂紋會形成熱障,致使熱量不能有效地傳導給冷卻劑,使溫度進一步升高。一旦進入這一惡性循環,部件故障就迫在眉睫了,冷卻劑(也是火箭的液氫推進劑!)將開始泄漏到燃燒室,點火將不再受控。雖然這不是直接致命的,但無疑會降低整個發動機的效率,以至于無法達到必要的發射速度Δv,最終導致火箭發射失敗。盡管SSME技術是在上世紀70年代和80年代開發的,但其技術在可預見的未來仍具有重要意義。迄今為止報告的SSME的可靠性為99.95%,是世界上最可靠和最成功的液體火箭發動機。基于以上事實,以及火箭發動機巨大且可調的推力,美國宇航局已經決定將航天飛機項目的剩余發動機用于新的太空發射系統,新系統的首次發射已定于在2023年。 - 05 - 鋼、有色金屬和超級合金使現代太空探索成為可能,并且依然是運載火箭的主流材料,主要是基于安全的考慮。開發新型材料,尤其是復合材料,還有巨大的想象空間和潛力,新材料的技術進步,也將促進新一代運載火箭和航天器的發展,使它們比以往任何時候都更加強大,更加靈活。再回到4月9日的火箭發射失敗事件,其實我們也不必過分擔憂,這世上沒有“零失敗”的航天工程,人類的航空航天史,本質上就是從一個個失敗的教訓中走過的歷史。失敗不可怕,可怕的是:不能認真檢視失敗的真實原因,不能找出解決問題的有效措施。世事皆然。2023年4月14日參考文獻:1.https://new.qq.com/omn/20200411/20200411A06MTK00.html2.https://matmatch.com/blog/metals-in-space-how-superalloys-changed-the-rocket-landscape/3.J. Singh et al., “Mechanical Properties and Microstructural Stability of Wrought, Laser, and Electron Beam Glazed NARloy-Z Alloy at Elevated Temperatures”, Journal of Materials Science, Vol. 32, pp. 3891 – 3903, 1997.4.J. H.Sanders et al., “Microstructural investigation of the effects of oxygen exposure on NARloy-Z”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 203, Issues 1 – 2, pp. 246 – 255, 1995.5.Bildiriler Kitab?,”High Strength Copper Alloys for Extreme Temperature Conditions”, UCTEA Chamber of Metallurgical & Materials Engineers, Proceedings Book, IMMC 2016,pp.693-696