ข่าว บริษัท เกี่ยวกับ บทความวิทยาศาสตร์ยอดนิยม: วัสดุที่ใช้สำหรับ Starship ของ SpaceX คืออะไร? ใช้วิธีการเชื่อมแบบใด?

เส้นทางการพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมของ SpaceX Starship ในตอนแรก SpaceX วางแผนที่จะสร้าง Starship โดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์น้ำหนักเบา แต่เนื่องจากไม่ทนความร้อน จึงเลือกใช้สแตนเลสสตีลที่ประหยัดและทนทาน อย่างไรก็ตาม กระบวนการเชื่อมสแตนเลสสตีลนั้นมีความท้าทาย และ SpaceX ก็สามารถบรรลุการเชื่อมที่สมบูรณ์แบบของ Starship ได้ด้วยการลองผิดลองถูกและการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง รวมถึงเทคนิคต่างๆ เช่น การเชื่อม TIG, การเชื่อมด้วยเลเซอร์, การเชื่อมด้วยหุ่นยนต์ และการเชื่อมแบบเสียดสี การประยุกต์ใช้เทคนิคเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความแม่นยำและความแข็งแรงของการเชื่อม แต่ยังช่วยปรับปรุงรูปลักษณ์ของ Starship อีกด้วย การเชื่อม Starship ที่ประสบความสำเร็จได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการปล่อยในอนาคต

องค์ประกอบวัสดุหลักของ Starship

หากไม่ใช่เพราะเที่ยวบินทดสอบแบบซับออร์บิทัลและการกู้คืน Starship ของ SpaceX จำนวนมาก คงไม่มีใครคิดว่า Musk จะเลือกสแตนเลสสตีล

หากมีใครพูดในแวดวงมืออาชีพในประเทศหรือบนอินเทอร์เน็ตก่อนที่ Starship จะขึ้นบินว่าสแตนเลสสตีลสามารถบินขึ้นสู่ท้องฟ้าได้จริง พวกเขาอาจถูกวิพากษ์วิจารณ์จากชาวเน็ตจนถึงขั้นตั้งคำถามถึงชีวิต

อย่างไรก็ตาม Musk ได้ใช้วัสดุสแตนเลสสตีลจำนวนมากในจรวด Starship โดยเฉพาะสแตนเลสสตีลซีรีส์ 300 และสแตนเลสสตีล 30X ที่พัฒนาขึ้นเอง ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนการผลิตของจรวดเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานอีกด้วย

วัสดุหลักของ Starship คือสแตนเลสสตีล โดยเฉพาะสแตนเลสสตีล 30X ที่ SpaceX พัฒนาขึ้นเอง

สแตนเลสสตีล 30X มีข้อดีหลายประการ: ต้นทุนต่ำ ประมาณ 4 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม ประสิทธิภาพที่ดีในอุณหภูมิต่ำ โดยมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมากในอุณหภูมิต่ำ เหมาะสำหรับการจัดเก็บเชื้อเพลิงออกซิเจนเหลวและมีเทน กระบวนการค่อนข้างง่าย และสามารถขึ้นรูปโครงสร้างที่ต้องการได้โดยการรีดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ทนความร้อนสูง รักษาความแข็งแรงเพียงพอที่อุณหภูมิ 800 ถึง 1000 องศาเซลเซียส โดยไม่จำเป็นต้องใช้ชั้นฉนวนหนา ความแข็งแรงของโครงสร้างเพียงพอ และการออกแบบลูกศรต้องการเพียงชั้นวัสดุสแตนเลสสตีลเท่านั้น ช่วยลดน้ำหนักและทำให้โครงสร้างง่ายขึ้น

นอกเหนือจากสแตนเลสสตีลแล้ว Starship ยังใช้วัสดุอื่นๆ เช่น คาร์บอนไฟเบอร์ และอะลูมิเนียม-ลิเธียมอัลลอยด์ในส่วนสำคัญบางส่วน นอกจากนี้ แผ่นกันความร้อนของ Starship ยังประกอบด้วยแผ่นกระเบื้องสีดำหกเหลี่ยมประมาณ 18,000 แผ่น เพื่อให้การป้องกันเมื่อเครื่องบินเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ

Starship ใช้กระบวนการเชื่อมหลักดังนี้:

การเชื่อม TIG และการเชื่อมด้วยเลเซอร์

ทั้งการเชื่อม TIG และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ถูกนำมาใช้ในการเชื่อมของ SpaceX การเชื่อม TIG หรือที่เรียกว่าการเชื่อมทังสเตนก๊าซเฉื่อย สามารถใช้เชื่อมวัสดุโลหะได้หลากหลาย เช่น สแตนเลสสตีล สามารถให้รอยเชื่อมคุณภาพสูง กระบวนการเชื่อมที่เสถียร รูปลักษณ์รอยเชื่อมที่สวยงาม ความแข็งแรงของการเชื่อมสูง และเหมาะสำหรับการเชื่อมส่วนสำคัญของ Starship ในทางกลับกัน การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อดีคือความหนาแน่นพลังงานสูง ความเร็วในการเชื่อมเร็ว โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อย และอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของรอยเชื่อมสูง สามารถบรรลุการเชื่อมที่มีความแม่นยำสูงและคุณภาพสูง และเหมาะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างผนังบางของ Starship และชิ้นส่วนที่มีข้อกำหนดสูงสำหรับการควบคุมการเสียรูปจากการเชื่อม

การเชื่อมอาร์ค

การเชื่อมอาร์คถูกใช้ในรุ่นหอเก็บน้ำรุ่นแรกของ Starship การเชื่อมอาร์คเป็นวิธีการเชื่อมทั่วไปที่หลอมโลหะด้วยความร้อนจากอาร์คที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดและชิ้นงาน อุปกรณ์เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ การทำงานยืดหยุ่น และสามารถใช้เชื่อมวัสดุโลหะและส่วนประกอบโครงสร้างต่างๆ ที่มีความหนาต่างกันได้ แต่คุณภาพและความแม่นยำของการเชื่อมอาจต่ำกว่าการเชื่อม TIG และการเชื่อมด้วยเลเซอร์เล็กน้อย การเสียรูปจากการเชื่อมมีขนาดใหญ่ และต้องมีการปรับระดับในภายหลัง เป็นต้น

การเชื่อมแบบเสียดสี

มีรายงานว่า SpaceX กำลังใช้การเชื่อมแบบเสียดสี การเชื่อมแบบเสียดสีเป็นกระบวนการเชื่อมประเภทใหม่ที่ประดิษฐ์ขึ้นโดย British Welding Institute ในปี 1991 ใช้หลักการเสียดสี สว่านหมุนความเร็วสูงจะถูกสอดเข้าไปในรอยต่อของแผ่นโลหะสองแผ่นที่จะเชื่อม การเสียดสีที่เกิดจากการหมุนความเร็วสูงของสว่านทำให้โมเลกุลโลหะที่สัมผัสกันเคลื่อนที่และแพร่กระจายอย่างรวดเร็วภายในโลหะ จึงเชื่อมแผ่นโลหะทั้งสองเข้าด้วยกัน กระบวนการเชื่อมนี้มีข้อดีคือไม่มีสะเก็ด ไม่มีจุดหลอมเหลว คุณภาพรอยเชื่อมสูง และการเสียรูปจากการเชื่อมน้อย เหมาะสำหรับการเชื่อมแผ่นพื้นที่ขนาดใหญ่และการเชื่อมต่อส่วนประกอบโครงสร้างของ Starship

ข้อดีหลักของการเชื่อมแบบเสียดสี ได้แก่

1.

คุณภาพรอยเชื่อมสูง: รอยเชื่อมของการเชื่อมแบบเสียดสีจะเสร็จสมบูรณ์โดยการอัดรีดในสถานะพลาสติกและเป็นส่วนหนึ่งของการเชื่อมแบบเฟสของแข็ง ดังนั้นจึงจะไม่เกิดข้อบกพร่องบางประการที่เกี่ยวข้องกับการแข็งตัวทางโลหะวิทยา เช่น รอยแตก การรวมตัว รูพรุน และการเผาไหม้ของธาตุผสม เป็นต้น ประสิทธิภาพของรอยเชื่อมใกล้เคียงกับวัสดุฐาน และคุณสมบัติทางกลยอดเยี่ยม

2.

ความร้อนเข้าต่ำ: ในการเชื่อมแบบเสียดสี ความร้อนเข้าค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับการเชื่อมแบบหลอมเหลว และไม่มีการหลอมโลหะที่รอยต่อ ทำให้เป็นกระบวนการเชื่อมแบบเฟสของแข็ง สิ่งนี้ช่วยรักษาคุณสมบัติทางโลหะวิทยาของวัสดุฐาน และสามารถเชื่อมวัสดุต่างๆ เช่น คอมโพสิตเมทริกซ์โลหะและวัสดุที่แข็งตัวเร็วซึ่งจะมีปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์กับการเชื่อมแบบหลอมเหลว

3.

ประหยัดพลังงานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: การเชื่อมแบบเสียดสีไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุเติมและก๊าซป้องกัน และไม่ก่อให้เกิดควัน สะเก็ด หรือรังสีที่เป็นอันตรายในระหว่างกระบวนการเชื่อม เป็นวิธีการเชื่อมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

4.

การใช้งานที่หลากหลาย: สามารถเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมได้ทุกเกรด รวมถึงโลหะผสมซีรีส์ 2 และ 7 ที่เชื่อมด้วยการเชื่อม MIG ได้ยาก นอกจากนี้ การเชื่อมแบบเสียดสีเหมาะสำหรับการเชื่อมวัสดุต่างชนิดกันและสามารถเชื่อมวัสดุที่ไวต่อการแตกร้อนได้

5.

ใช้งานง่าย: การเชื่อมแบบเสียดสีสามารถทำให้เป็นกลไกและเป็นอัตโนมัติได้ง่าย ด้วยอุปกรณ์ที่เรียบง่าย การใช้พลังงานต่ำ และข้อกำหนดต่ำสำหรับสภาพแวดล้อมการทำงาน กระบวนการเชื่อมไม่ต้องการวัสดุเติมหรือก๊าซป้องกัน ทำให้ขั้นตอนการเชื่อมง่ายขึ้น

6.

ประสิทธิภาพข้อต่อที่ยอดเยี่ยม: คุณสมบัติทางกลของข้อต่อที่เชื่อม โดยเฉพาะความต้านทานความล้า ยอดเยี่ยม โลหะเชื่อมเกิดการไหลแบบพลาสติก และข้อต่อไม่เกิดโครงสร้างเช่นผลึกค้ำ การกลั่นตัวของเม็ดช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของข้อต่อ

7.

ควบคุมง่าย: การเชื่อมแบบเสียดสีสามารถควบคุมกระบวนการเชื่อมได้อย่างแม่นยำ รวมถึงการป้อนข้อมูลแบบดิจิทัล การควบคุม และการบันทึกพารามิเตอร์ข้อกำหนดการเชื่อม

เทคโนโลยีการเชื่อมแบบอัตโนมัติ

SpaceX ใช้หุ่นยนต์เชื่อมอย่างแพร่หลายสำหรับการเชื่อมแบบอัตโนมัติในการผลิต Starship เทคโนโลยีการเชื่อมแบบอัตโนมัติใช้ระบบควบคุมและเซ็นเซอร์ขั้นสูงเพื่อให้การควบคุมกระบวนการเชื่อมมีความแม่นยำ ทำให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอของรูปร่าง ขนาด และตำแหน่งของรอยเชื่อม ลดข้อผิดพลาดของมนุษย์ในกระบวนการเชื่อม เพิ่มความน่าเชื่อถือและความเสถียรของการเชื่อม ในขณะเดียวกันก็เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและรับประกันความเสถียรและความสม่ำเสมอของคุณภาพการเชื่อม

เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของรอยเชื่อม SpaceX ดำเนินการตรวจสอบและบำบัดรอยเชื่อมอย่างเข้มงวด ในช่วงแรก ข้อบกพร่องต่างๆ เช่น ขอบคมและรอยแตกเล็กๆ ถูกกำจัดออกโดยการขัดพื้นผิวรอยเชื่อมเพื่อลดความเสี่ยงของการล้มเหลวของรอยเชื่อม ในขณะเดียวกัน พารามิเตอร์กระบวนการและขั้นตอนการปฏิบัติงานได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการเชื่อมเพื่อลดจำนวนรอยเชื่อมแต่ละจุดและจุดที่อาจล้มเหลว และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของโครงสร้างโดยรวม

โดยสรุป การเชื่อม SpaceX Starship เป็นการผสมผสานระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ การเชื่อมแบบเสียดสี การเชื่อม TIG และอื่นๆ การเดินทางพันไมล์เริ่มต้นด้วยก้าวแรก ฉันหวังว่าองค์กรเทคโนโลยีจะคิดค้นและพัฒนามากขึ้นเรื่อยๆ มีความฝันที่ยิ่งใหญ่ ก้าวไปทีละก้าวอย่างมั่นคง เปลี่ยนแปลงและสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง และเดินบนเส้นทางของการผลิตอัจฉริยะ