“星舰”：不要铝，要钢！

文/小梅子

▲ 航天飞机STS-1亮眼的白色贮箱

奇葩！这想必是看到太空探索技术公司建造的“星舰”的MK1全尺寸验证机后，许多人的第一反应。这个火箭外观上和任何火箭都不像，比太空探索技术公司的招牌“猎鹰9”还要粗的怪物，更像是从《丁丁历险记》漫画里出来的科幻产物。不过比外观设计更引人注意的是这个火箭居然是由不锈钢制造，一种常人绝不会和航空航天载具画等号的材料。

这个一贯以科技创新著称的太空探索技术公司，为啥会使用钢来打造号称要殖民火星的新型火箭呢？要解答这个问题，不如先考虑下为什么航空航天载具中很少见到钢吧。

铝与钢：后到与先来

铝和碳纤维复合材料并非从一开始就统治着航空航天载具的用料，由于材料技术不足，早期火箭的燃料和氧化剂储罐大都采用不锈钢制造，而为减轻不锈钢带来的重量，罐壁仅有几毫米厚，与其说是罐头其实更类似金属气球。就像充满二氧化碳的可乐罐捏不动但空可乐罐一捏就瘪一样，超薄不锈钢罐的弊端在于火箭需要为罐内加压以维持结构强度，不然上层箭体和载荷的自身重量就足以压垮储罐。1963年5月11日宇宙神-D火箭在测试时，由于液氧输送系统的故障，发射人员抽出了液氧导致液氧罐被火箭自身重量压垮，火箭上层直接坍塌，倒在了发射台上。

▲ 漫画丁丁历险记中的火箭和星舰飞船对比图

▲ 2018年12月3日“猎鹰9”一箭64颗星任务发射时序，发射前38分钟才开始加注推进剂

▲ 2020火星车搭载的MOXIE便是测试火星就地取氧的装置

随着材料技术发展，铝合金逐渐取代不锈钢成为储罐原料，不过并不是因为铝的强度比钢高，而是铝的密度比钢低。换句话说是相同结构强度下铝比钢轻，铝制储罐的超重负担更小，铝正是凭借着更高的密度/强度比击败了钢铁。合金钢的强度是高强度铝的1.5～2倍，但其密度至少是铝的2.5～3倍以上。采用铝合金建造的储罐可以更厚，不仅不再需要加压来维持结构强度，还可以做得更大更高。“猎鹰9”火箭的RP-1燃料罐和液氧罐都采用铝锂合金制造，既然如此为何还要使用不锈钢燃料罐增加额外重量？这还要涉及金属合金一项不太被大众关注的指标——热导率。

热导率，简而言之便是材料直接传导热能的能力。举例而言，触摸同一温度下的金属和木头，会觉得金属要比木头冷很多，这是因为人类感知的是热量离开皮肤的速度而非真的温度。金属的热导率远高于木头，导致皮肤的热量更快流失进而给大脑产生金属更冷的错觉。热导率高的金属传递外界热量更快，会加速储存的低温液体的蒸发。铝的热导率是不锈钢(AISI-304)的30倍，哪怕在高温情况下也足足有8倍之多。直接导致和不锈钢储罐相比，铝合金燃料罐会更快地把外界的热量传导给燃料导致燃料蒸发。更糟糕的是金属的导热率不是固定的，随着温度降低铝的导热率会升高，也就是液氢液氧等低温燃料和氧化剂会提高铝合金的导热能力，加速燃料蒸发。

▲ 那些年老马画过的饼

▲人的皮肤对木头和金属的热传导的感受示意图

▲ 航天飞机贮箱隔热泡沫塑料材料

现代火箭为解决燃料过度蒸发问题，除了设置排气口并保持持续添加的通用方式外，大致分两种解决手段。第一种是以航天飞机为代表的燃料罐隔热设计，显眼的橙罐之所以是橙色便是因为隔热泡沫塑料材料是橙色。在最初的STS-1和STS-2两次航天飞机发射时，更是把橙罐外面刷上了一层白漆，以反射长时间阳光下停放时太阳辐射带来的热量，后续发射则因刷漆时间过长且增加重量而放弃。泡沫塑料的额外重量一定程度上抵消了使用铝合金省下来的重量，但可以让航天员在燃料和氧化剂加注完毕后再进入机舱，确保安全。

同样采用铝合金燃料罐的“猎鹰9”火箭则完全没有任何隔热泡沫塑料，为避免超低温的RP-1燃料罐和液氧过度蒸发，“猎鹰9”整体采用白色涂装且尽可能晚地填充燃料。火箭第一级最晚在发射前5分20秒才填满燃料，与之相比航天飞机的燃料罐在发射前6小时就已经填满燃料。“猎鹰9”的设计虽然节省下隔热材料的重量，但也导致燃料加注只能在航天员进入飞船后执行，这种“加注-发射”的方式带来的安全风险也是拖延美国宇航局下发“猎鹰9”载人许可的原因之一。好在太空探索技术公司通过载人龙飞船的发射台逃生测试，诸多安全措施和安全设计，最终在2018年5月18日获得了载人许可。

钢：终于又轮到我

显然不管是隔热泡沫塑料还是“加注-发射”的方式都无法在“星舰”这个庞然大物上使用，巨大的储罐意味着需要增加额外非常多的隔热材料重量，但也不能让航天员进入飞船后再等上10个小时填充燃料，那么唯一的办法便是放弃铝合金燃料罐。之前太空探索技术公司曾尝试使用碳纤维制作燃料罐，但估计是碳纤维的制造难度和造价都过高且废料率也很高，外加上“星舰”燃料罐的体积导致现阶段的技术无法一体化生产，该方案最终被抛弃，转了一圈后又绕回了早期火箭设计师们使用的不锈钢。

除了热导率，钢在耐热及工作温度上也要优于铝。美国和苏联在冷战时期建造的超高速侦查/截击机无法使用铝合金的原因之一便是高速飞行时的温度已经超过了铝合金的最高工作温度，铝制机身会变软失去强度进而解体。米格-25战斗机的机身用不锈钢打造，高速巡航的SR-71侦察机更只能使用钛合金来制作机身，因为其3.2马赫飞行时机身最高温度达到了565℃，甚至超过了不锈钢的最高约300℃的工作温度。对于“星舰”这个要往返于地球和火星，面临多次地球和火星大气摩擦的火箭来说，虽然隔热设计依然必不可少，但一个更耐热的船身可以省去隔热装置一定的重量并简化设计，这也是“星舰”最终选择不锈钢/合金钢而非铝合金的另一原因。这方面的反例可以参考航天飞机的轨道器，为保护不耐热的铝合金机身，轨道器使用了大量造价昂贵且需要频繁更换的隔热瓦，每次发射后复杂的检修导致发射价格上涨，抵消了可重复利用载具的优势。

▲ SR-71在3.2马赫巡航时机身不同部位温度（华氏度）

▲ 常用金属最高强度和最高工作温度

▲ 再入时损坏的隔热瓦

不锈钢/合金钢：现阶段最佳材料

值得一提的是，“星舰”原计划只在一些气动控制翼面和船身前缘处使用传统的被动式隔热材料，火箭整体的隔热降温将采用已经在火箭引擎上部分应用的主动式蒸腾冷却，也可叫做发汗式冷却。这是一种类似人体降温的冷却方式，和用隔热材料自身被动烧蚀吸收热量降温不同，蒸腾冷却用冷却剂主动吸收热量降温。就像人的皮肤通过发汗让汗液蒸发吸热降温一样，“星舰”也将“发”冷水或低温甲烷蒸发吸热来为船身降温。外加上不锈钢的工作温度天然高于铝合金，“星舰”的主动降温装置也不需要降温到铝合金的工作温度，彻底省去隔热材料的重量。

更为关键的是“星舰”的隔热设计还必须要考虑到火星较差的维修环境和匮乏的维修原材料和维修设施，虽然现在太空探索技术公司用的PICA-X在性能和重复使用上已远优于之前的隔热材料，但依然需要维护且若进入火星大气时受损还需重新制作。火星没有制作PICA-X的油和石墨，但已确认有冰且非常有可能有地下液态水，水和火星大气中饱含的二氧化碳进行简单的萨巴捷反应便可生产甲烷。采用主动式蒸腾冷却的“星舰”只需携带少量碳纤维原材料，用来就地取材制作返程燃料的装置便可同时兼职生产冷却剂，腾出重量给其他载荷。但大概是“星舰”级别的蒸腾冷却系统设计过于复杂，至少现阶段太空探索技术公司已经放弃在“星舰”上使用。

▲ 蒸腾冷却概念示意图

可以说不锈钢/合金钢是现阶段技术能满足“星舰”诸多目标和经济要求的、最佳也是唯一的材料。不过得克萨斯州这个亮闪闪的，都能被风吹倒的银色原型机只是“星舰”的第一步，并不具备进入太空的能力且仅仅是为了给太空探索技术公司测试“星舰”的悬停降落功能和编写飞控软件，“星舰”的建造试飞之路还很漫长。猎鹰重型火箭这个马斯克在2011年4月正式对外画的大饼，整整花费了7年才圆了回来；2019年画的不锈钢“星舰”大饼，又需要多少年圆回来呢？

▲“星箭”和人的对比示意图