“星艦”：不要鋁，要鋼！

文/小梅子

▲ 航天飛機STS-1亮眼的白色貯箱

奇葩！這想必是看到太空探索技術公司建造的“星艦”的MK1全尺寸驗證機后，許多人的第一反應。這個火箭外觀上和任何火箭都不像，比太空探索技術公司的招牌“獵鷹9”還要粗的怪物，更像是從《丁丁歷險記》漫畫里出來的科幻產(chǎn)物。不過比外觀設計更引人注意的是這個火箭居然是由不銹鋼制造，一種常人絕不會和航空航天載具畫等號的材料。

這個一貫以科技創(chuàng)新著稱的太空探索技術公司，為啥會使用鋼來打造號稱要殖民火星的新型火箭呢？要解答這個問題，不如先考慮下為什么航空航天載具中很少見到鋼吧。

鋁與鋼：后到與先來

鋁和碳纖維復合材料并非從一開始就統(tǒng)治著航空航天載具的用料，由于材料技術不足，早期火箭的燃料和氧化劑儲罐大都采用不銹鋼制造，而為減輕不銹鋼帶來的重量，罐壁僅有幾毫米厚，與其說是罐頭其實更類似金屬氣球。就像充滿二氧化碳的可樂罐捏不動但空可樂罐一捏就癟一樣，超薄不銹鋼罐的弊端在于火箭需要為罐內(nèi)加壓以維持結(jié)構(gòu)強度，不然上層箭體和載荷的自身重量就足以壓垮儲罐。1963年5月11日宇宙神-D火箭在測試時，由于液氧輸送系統(tǒng)的故障，發(fā)射人員抽出了液氧導致液氧罐被火箭自身重量壓垮，火箭上層直接坍塌，倒在了發(fā)射臺上。

▲ 漫畫丁丁歷險記中的火箭和星艦飛船對比圖

▲ 2018年12月3日“獵鷹9”一箭64顆星任務發(fā)射時序，發(fā)射前38分鐘才開始加注推進劑

▲ 2020火星車搭載的MOXIE便是測試火星就地取氧的裝置

隨著材料技術發(fā)展，鋁合金逐漸取代不銹鋼成為儲罐原料，不過并不是因為鋁的強度比鋼高，而是鋁的密度比鋼低。換句話說是相同結(jié)構(gòu)強度下鋁比鋼輕，鋁制儲罐的超重負擔更小，鋁正是憑借著更高的密度/強度比擊敗了鋼鐵。合金鋼的強度是高強度鋁的1.5～2倍，但其密度至少是鋁的2.5～3倍以上。采用鋁合金建造的儲罐可以更厚，不僅不再需要加壓來維持結(jié)構(gòu)強度，還可以做得更大更高?！矮C鷹9”火箭的RP-1燃料罐和液氧罐都采用鋁鋰合金制造，既然如此為何還要使用不銹鋼燃料罐增加額外重量？這還要涉及金屬合金一項不太被大眾關注的指標——熱導率。

熱導率，簡而言之便是材料直接傳導熱能的能力。舉例而言，觸摸同一溫度下的金屬和木頭，會覺得金屬要比木頭冷很多，這是因為人類感知的是熱量離開皮膚的速度而非真的溫度。金屬的熱導率遠高于木頭，導致皮膚的熱量更快流失進而給大腦產(chǎn)生金屬更冷的錯覺。熱導率高的金屬傳遞外界熱量更快，會加速儲存的低溫液體的蒸發(fā)。鋁的熱導率是不銹鋼(AISI-304)的30倍，哪怕在高溫情況下也足足有8倍之多。直接導致和不銹鋼儲罐相比，鋁合金燃料罐會更快地把外界的熱量傳導給燃料導致燃料蒸發(fā)。更糟糕的是金屬的導熱率不是固定的，隨著溫度降低鋁的導熱率會升高，也就是液氫液氧等低溫燃料和氧化劑會提高鋁合金的導熱能力，加速燃料蒸發(fā)。

▲ 那些年老馬畫過的餅

▲人的皮膚對木頭和金屬的熱傳導的感受示意圖

▲ 航天飛機貯箱隔熱泡沫塑料材料

現(xiàn)代火箭為解決燃料過度蒸發(fā)問題，除了設置排氣口并保持持續(xù)添加的通用方式外，大致分兩種解決手段。第一種是以航天飛機為代表的燃料罐隔熱設計，顯眼的橙罐之所以是橙色便是因為隔熱泡沫塑料材料是橙色。在最初的STS-1和STS-2兩次航天飛機發(fā)射時，更是把橙罐外面刷上了一層白漆，以反射長時間陽光下停放時太陽輻射帶來的熱量，后續(xù)發(fā)射則因刷漆時間過長且增加重量而放棄。泡沫塑料的額外重量一定程度上抵消了使用鋁合金省下來的重量，但可以讓航天員在燃料和氧化劑加注完畢后再進入機艙，確保安全。

同樣采用鋁合金燃料罐的“獵鷹9”火箭則完全沒有任何隔熱泡沫塑料，為避免超低溫的RP-1燃料罐和液氧過度蒸發(fā)，“獵鷹9”整體采用白色涂裝且盡可能晚地填充燃料?；鸺谝患壸钔碓诎l(fā)射前5分20秒才填滿燃料，與之相比航天飛機的燃料罐在發(fā)射前6小時就已經(jīng)填滿燃料?！矮C鷹9”的設計雖然節(jié)省下隔熱材料的重量，但也導致燃料加注只能在航天員進入飛船后執(zhí)行，這種“加注-發(fā)射”的方式帶來的安全風險也是拖延美國宇航局下發(fā)“獵鷹9”載人許可的原因之一。好在太空探索技術公司通過載人龍飛船的發(fā)射臺逃生測試，諸多安全措施和安全設計，最終在2018年5月18日獲得了載人許可。

鋼：終于又輪到我

顯然不管是隔熱泡沫塑料還是“加注-發(fā)射”的方式都無法在“星艦”這個龐然大物上使用，巨大的儲罐意味著需要增加額外非常多的隔熱材料重量，但也不能讓航天員進入飛船后再等上10個小時填充燃料，那么唯一的辦法便是放棄鋁合金燃料罐。之前太空探索技術公司曾嘗試使用碳纖維制作燃料罐，但估計是碳纖維的制造難度和造價都過高且廢料率也很高，外加上“星艦”燃料罐的體積導致現(xiàn)階段的技術無法一體化生產(chǎn)，該方案最終被拋棄，轉(zhuǎn)了一圈后又繞回了早期火箭設計師們使用的不銹鋼。

除了熱導率，鋼在耐熱及工作溫度上也要優(yōu)于鋁。美國和蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時期建造的超高速偵查/截擊機無法使用鋁合金的原因之一便是高速飛行時的溫度已經(jīng)超過了鋁合金的最高工作溫度，鋁制機身會變軟失去強度進而解體。米格-25戰(zhàn)斗機的機身用不銹鋼打造，高速巡航的SR-71偵察機更只能使用鈦合金來制作機身，因為其3.2馬赫飛行時機身最高溫度達到了565℃，甚至超過了不銹鋼的最高約300℃的工作溫度。對于“星艦”這個要往返于地球和火星，面臨多次地球和火星大氣摩擦的火箭來說，雖然隔熱設計依然必不可少，但一個更耐熱的船身可以省去隔熱裝置一定的重量并簡化設計，這也是“星艦”最終選擇不銹鋼/合金鋼而非鋁合金的另一原因。這方面的反例可以參考航天飛機的軌道器，為保護不耐熱的鋁合金機身，軌道器使用了大量造價昂貴且需要頻繁更換的隔熱瓦，每次發(fā)射后復雜的檢修導致發(fā)射價格上漲，抵消了可重復利用載具的優(yōu)勢。

▲ SR-71在3.2馬赫巡航時機身不同部位溫度（華氏度）

▲ 常用金屬最高強度和最高工作溫度

▲ 再入時損壞的隔熱瓦

不銹鋼/合金鋼：現(xiàn)階段最佳材料

值得一提的是，“星艦”原計劃只在一些氣動控制翼面和船身前緣處使用傳統(tǒng)的被動式隔熱材料，火箭整體的隔熱降溫將采用已經(jīng)在火箭引擎上部分應用的主動式蒸騰冷卻，也可叫做發(fā)汗式冷卻。這是一種類似人體降溫的冷卻方式，和用隔熱材料自身被動燒蝕吸收熱量降溫不同，蒸騰冷卻用冷卻劑主動吸收熱量降溫。就像人的皮膚通過發(fā)汗讓汗液蒸發(fā)吸熱降溫一樣，“星艦”也將“發(fā)”冷水或低溫甲烷蒸發(fā)吸熱來為船身降溫。外加上不銹鋼的工作溫度天然高于鋁合金，“星艦”的主動降溫裝置也不需要降溫到鋁合金的工作溫度，徹底省去隔熱材料的重量。

更為關鍵的是“星艦”的隔熱設計還必須要考慮到火星較差的維修環(huán)境和匱乏的維修原材料和維修設施，雖然現(xiàn)在太空探索技術公司用的PICA-X在性能和重復使用上已遠優(yōu)于之前的隔熱材料，但依然需要維護且若進入火星大氣時受損還需重新制作?；鹦菦]有制作PICA-X的油和石墨，但已確認有冰且非常有可能有地下液態(tài)水，水和火星大氣中飽含的二氧化碳進行簡單的薩巴捷反應便可生產(chǎn)甲烷。采用主動式蒸騰冷卻的“星艦”只需攜帶少量碳纖維原材料，用來就地取材制作返程燃料的裝置便可同時兼職生產(chǎn)冷卻劑，騰出重量給其他載荷。但大概是“星艦”級別的蒸騰冷卻系統(tǒng)設計過于復雜，至少現(xiàn)階段太空探索技術公司已經(jīng)放棄在“星艦”上使用。

▲ 蒸騰冷卻概念示意圖

可以說不銹鋼/合金鋼是現(xiàn)階段技術能滿足“星艦”諸多目標和經(jīng)濟要求的、最佳也是唯一的材料。不過得克薩斯州這個亮閃閃的，都能被風吹倒的銀色原型機只是“星艦”的第一步，并不具備進入太空的能力且僅僅是為了給太空探索技術公司測試“星艦”的懸停降落功能和編寫飛控軟件，“星艦”的建造試飛之路還很漫長。獵鷹重型火箭這個馬斯克在2011年4月正式對外畫的大餅，整整花費了7年才圓了回來；2019年畫的不銹鋼“星艦”大餅，又需要多少年圓回來呢？

▲“星箭”和人的對比示意圖