SpaceX的星舰为啥要用不锈钢?

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在我们的认知里，钢铁是很重的材料，而运载火箭为了带更多的有效载荷则更多是追求轻质化的，那为什么星舰却反其道而行呢？

今天我们就来聊聊：SpaceX的星舰为啥要用不锈钢？

01

制造火箭的材料
我们先来看看制造火箭的材料。SpaceX最初打算使用碳纤维来制造星舰，碳纤维耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、热导性高且质量轻，十分契合星舰超大型运载火箭的定位，但也存在许多问题。首先是价格，每公斤碳纤维约130美元，十分昂贵，且有35%的损耗。再者是加工制造难度高，火箭箭体不同部位需要的碳纤维厚度为60到220层不等。在加工过程中要避免产生气泡、杂质等问题。碳纤维制造通常要用到高压釜，而星舰直径9米，高121米，需要一个巨大的的高压釜。星舰的燃料罐和氧气罐压力巨大，而碳纤维又是一种多孔材料，且碳纤维中的碳和树脂遇到高温纯氧时极易燃烧，所以要在燃料罐中加上惰性衬里防止外泄。此外，火箭再入时温度至少高达1200度，此时碳纤维的强度直线下滑，所以需要厚重的隔热瓦来保证性能。就这么一通操作下来，碳纤维的轻量优势荡然无存，还增加了研发难度和成本。
再来看看大多数火箭使用的铝合金，以猎鹰9号所使用的铝锂合金为例。铝锂合金强度高、有韧性、耐腐蚀、抗疲劳、质量轻，且容易加工,每公斤约40美元。铝锂合金的加工难点在于难焊接，需要摩擦焊接。最大的问题在于铝锂合金的强度在超过200度时会直线下滑，所以同样需要厚重的隔热瓦。

（图：使用铝锂合金的猎鹰9号发射 图源SpaceX）
02

为什么是不锈钢？
看完碳纤维和铝合金，我们再来看看不锈钢。首先就是便宜，一公斤仅4美元，十分廉价。
其次是强度问题，低温环境下，不锈钢的强度会大幅上升，是室温下的两倍，很适合以液氧甲烷为推进剂的星舰。但301不锈钢在低温环境下，韧性不够容易断裂，304不锈钢虽有改善，但还是不够。因此SpaceX自研了30X不锈钢，在低温下韧性和弹性都很好。且低温环境下加工出的不锈钢强度与碳纤维和铝锂合金差不多。与碳纤维和铝锂合金不同，不锈钢在800度甚至1000度高温下，强度依然足够，因此只需要很薄的隔热瓦，且只需在迎风面铺隔热瓦，一定程度上减轻了重量。最终算下来，不锈钢箭体的总质量甚至比碳纤维的还低此外，铝合金加工简单，甚至都不用喷漆。综合以上，不锈钢造星舰的优势包括：成本低、重量轻、加工简单且耐高温、耐腐蚀等性能优秀。


（图：只铺了一面隔热瓦的星舰 图源：SpaceX）
03

猛禽发动机
可以说猛禽发动机就是星舰使用不锈钢的底气。猛禽发动机是SpaceX自研的全流量分级燃烧循环甲烷发动机，直径1.3米，高3.1米，目前已迭代到了V3，单机推力270吨，采用甲烷和液氧作为燃料。星舰一级超重推进器装有33台猛禽发动机，起飞推力7590吨。二级星舰飞船装有3台猛禽+3台猛禽真空版，推力1500吨。超大推力弥补了不锈钢在重量上带来的损失。

（图：猛禽3试车 图源：SpaceX）
04

还有哪些火箭用不锈钢？
我国商业航天公司蓝箭航天研发的可回收复用火箭朱雀三号也采用了不锈钢制造火箭，是我国首款不锈钢运载火箭。朱雀三号也将在2025年进行首飞，并有很大希望实现一级火箭的垂直回收，成为我国第一个实现火箭复用的商业航天企业。

（图：朱雀三号 图源：蓝箭航天）



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