北京時(shí)間2023年4月20日21:33，星艦S24/超級(jí)重型B7（星艦系統(tǒng)）運(yùn)載火箭從位于德克薩斯州博卡奇卡的太空探索技術(shù)公司星艦基地測(cè)試場(chǎng)點(diǎn)火升空，旨在進(jìn)行首次亞軌道測(cè)試飛行。本次發(fā)射點(diǎn)火起飛、飛行初段正常，到了一二級(jí)分離階段箭體開始翻滾并掉高度，地面最終啟動(dòng)發(fā)射終止系統(tǒng)讓火箭自毀，發(fā)射失利。

星艦系統(tǒng)首飛雖未達(dá)成完成飛行的最高目標(biāo)，但是其成功離開地面并最高到達(dá)39千米的高度已是一種成功，畢竟這是一型開眾多先河的開創(chuàng)性產(chǎn)品，研制難度可想而知。作為一型與眾不同的火箭，星艦系統(tǒng)除了是有史以來最高、最重的運(yùn)載火箭，還是一型鋼鐵巨箭，全箭結(jié)構(gòu)主要采用不銹鋼材料，這是前所未見的。

不銹鋼戰(zhàn)勝鋁合金！更適合星際航行的材料

自世界航天事業(yè)誕生至今，經(jīng)過不斷地選擇和發(fā)展，鋁、鋁合金及鋁基復(fù)合材料成為了運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)使用量最大的一類材料，占到火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量的85%以上。以太空探索技術(shù)集團(tuán)公司（SpaceX）的“獵鷹九號(hào)”火箭為例，其質(zhì)量占比最大的箭體部組件——推進(jìn)劑貯箱使用的就是2098鋁合金（Al-3.5Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），該材料屬于肯聯(lián)鋁業(yè)公司伊蘇瓦爾軋制廠與魁北克研發(fā)中心歷時(shí)8年研發(fā)的Weldalite 鋁-鋰合金（Weldalite Al-Li合金）家族，其疲勞強(qiáng)度高，原是為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）高速民用運(yùn)輸機(jī)計(jì)劃（HSCT）機(jī)身研發(fā)的，后用于F16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身。那么，運(yùn)載火箭為什么選擇鋁合金？

鋁合金具有密度?。ú淮笥?.8克/立方厘米）、比強(qiáng)度與比剛度（比模量）大、抗腐蝕、抗疲勞、韌性好、加工成型性能優(yōu)秀，是資源豐富、價(jià)格適中、對(duì)人體與環(huán)境無害、循環(huán)性能最優(yōu)的工業(yè)金屬，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛應(yīng)用，已成為第二大金屬，廣泛應(yīng)用于航空航天各領(lǐng)域。那么，為什么星艦系統(tǒng)不使用成熟的鋁合金材料？

運(yùn)載火箭使用一型材料首先要看材料性能是否滿足需要，其次看價(jià)格是否合適。鋁合金作為傳統(tǒng)運(yùn)載火箭用量最大的一種材料，其比強(qiáng)度、比模量等基本性能指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足運(yùn)載火箭的發(fā)射需求。但是星艦并不是一型傳統(tǒng)火箭，其芯二級(jí)需要實(shí)現(xiàn)回收復(fù)用，這就需要能夠抵擋不低于1200度的燒蝕溫度，這對(duì)于鋁合金來說是無法辦到的，因?yàn)殇X合金的熔點(diǎn)在600度上下。如果星艦箭體沿用鋁合金就必須和飛船返回艙一樣通體覆蓋防熱層或隔熱瓦，這勢(shì)必大大增加星艦的生產(chǎn)成本，如果換用不銹鋼就迎刃而解。

不銹鋼的熔點(diǎn)在1400度上下，當(dāng)星艦從近地軌道返回時(shí)，迎風(fēng)面產(chǎn)生的溫度不低于1200攝氏度，不銹鋼箭體基本能夠抵擋。但是更大的挑戰(zhàn)還在后面，按照規(guī)劃，星艦除了用于近地軌道、洲際運(yùn)輸，還將用于月球以遠(yuǎn)的月球、火星探測(cè)，當(dāng)星艦從深空返回地球時(shí)，其再入大氣層時(shí)迎風(fēng)面的溫度將達(dá)到近3000度，為了抵擋高溫，星艦在腹部加裝了黑色隔熱瓦。

在材料性能方面，相較于鋁合金，不銹鋼還具有比強(qiáng)度更大、導(dǎo)熱率更低等優(yōu)勢(shì)，比強(qiáng)度更大有利于建造巨型火箭。導(dǎo)熱率更低適合低溫液體火箭。

第一型鋼鐵巨箭！成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)

在性能之外，價(jià)格是星艦選擇不銹鋼的另一個(gè)重要因素。目前，獵鷹主體結(jié)構(gòu)使用的 2098鋁合金是一種較為高端的鋁合金材料，與其成分接近的2198鋁合金（Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），我國(guó)相關(guān)進(jìn)口材料的報(bào)價(jià)是人民幣130元/千克，這個(gè)價(jià)格只能算適中，而鋰含量更高的2098單位成本還要明顯更高。對(duì)于要大規(guī)模量產(chǎn)的巨型火箭星艦而言，材料成本必須大幅壓縮，星艦選擇了屬于第一金屬——鐵金屬家族的不銹鋼，材料單位價(jià)格降低了一個(gè)量級(jí)。以星艦使用的304L不銹鋼卷為例，這是國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上一型比較成熟、大量使用的不銹鋼材料，其在我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的報(bào)價(jià)低至14元/千克，僅有2198鋁合金的1/9。

星艦的起飛質(zhì)量達(dá)到5000噸，設(shè)計(jì)較優(yōu)的火箭其結(jié)構(gòu)系數(shù)通常為10%左右，即箭體質(zhì)量占起飛質(zhì)量的10%，依此推算星艦的箭體質(zhì)量為500噸左右。星艦箭體大部分由不銹鋼構(gòu)成，假定全部使用304L及與其接近的不銹鋼材料，參考國(guó)內(nèi)相關(guān)材料市場(chǎng)價(jià)格，星艦箭體的材料成本為700萬左右（約100萬美元），按照50%的材料使用率匡算，單枚星艦的材料消耗成本是1400萬左右（約200萬美元）。

性能和價(jià)格的雙重優(yōu)勢(shì)，讓星艦在權(quán)衡之下選擇了合金鋼——不銹鋼，于是就誕生了世界航天史上第一型不銹鋼運(yùn)載火箭，其裸露材料的設(shè)計(jì)在運(yùn)載火箭歷史上也幾乎是前所未有的。作為先行者，星艦在不銹鋼應(yīng)用上還有很多需要摸索的東西，基于已知探索未知是人類向前的基本步驟。只是星艦的步子邁得比較大，新技術(shù)比例過高，這使得其首飛失敗是預(yù)期中的。不過，好在首飛已經(jīng)完成了起飛升空并正常連續(xù)飛行。假以時(shí)日，當(dāng)星艦在曲折往復(fù)中取得成功后，將證明不銹鋼行，并將會(huì)引領(lǐng)運(yùn)載火箭箭體選材的新趨勢(shì)。

作者：大白高國(guó)