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激進還是講究實際效益？

火熱的航天事業(yè)中，除了發(fā)動機的選擇外，材料路線的抉擇同樣重要。

2024年開年，我國頭部民營航天企業(yè)藍箭航天大動作不斷，先是使用朱雀二號遙三運載火箭將三顆商業(yè)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，后又公布了最新的朱雀三號火箭。

據(jù)公開信息，朱雀三號同樣是可重復(fù)使用的兩級液氧甲烷火箭，從發(fā)動機到運載能力相比于朱雀二號都升級了不少：其箭體直徑4.5米，全箭高度76.6米，起飛重量約660噸，起飛推力約900噸，一次性任務(wù)低軌運載能力高達21.3噸，航區(qū)回收運載能力為18.3噸，返場回收運載能力為12.5噸，一級采用9臺天鵲TQ-12B發(fā)動機并聯(lián)——TQ-12B發(fā)動機是此前80噸級液氧甲烷發(fā)動機TQ-12的改款。

農(nóng)歷新年前，朱雀三號還完成了一次“跳躍實驗”，業(yè)內(nèi)俗稱“蚱蜢跳”，即驗證火箭在60秒內(nèi)成功垂直起降。能垂直起飛，再在精度約2.4米的著陸位置定點降落，這意味著朱雀三號已經(jīng)走出火箭“可重復(fù)使用”技術(shù)的關(guān)鍵一步。   

液氧甲烷發(fā)動機我們在之前的文章中已經(jīng)探究過，在SpaceX的帶動下，業(yè)內(nèi)尤其是民營企業(yè)基本都看到了其未來競爭力，可重復(fù)使用火箭的推進劑選擇也在快速收縮至同一路線。

火箭推進劑的選擇正在收縮

國內(nèi)除了藍箭航天外，押注液氧甲烷發(fā)動機的民營企業(yè)還有很多，比如專注發(fā)動機制造的九州云、火箭整箭研發(fā)制造的北京星際榮耀等等。但是在國內(nèi)航天企業(yè)中，朱雀三號仍然有另一個不同尋常的特點：其全箭主結(jié)構(gòu)采用的是高強度不銹鋼材料，而非主流的鋁合金，這還是國內(nèi)首次。

哪怕不了解火箭的人也知道，火箭要上天，箭體當然要選擇又輕又結(jié)實的材料，鋁合金就是這么脫穎而出的。

先簡單介紹一下航天業(yè)界的鋁合金發(fā)展史，現(xiàn)在航空航天產(chǎn)品主要使用的鋁合金其實已經(jīng)屬于第四代“鋁鋰合金”，第一代還是以5A06為代表的“鋁鎂合金”。添加了鎂金屬后的鋁鎂合金無論是強度重量比（比強度）還是剛度重量比（比剛度）都比較優(yōu)秀，也容易焊接，但是比較難塑形；第二代以2A14為代表的“鋁銅合金”，在抗拉強度和屈服強度上遠勝鋁鎂合金，同時也相對較輕，適合用于火箭部件和外殼的制造，但由于鋁銅合金相比傳統(tǒng)鋼鐵熔點更高、導(dǎo)熱性強，焊接難度變大；第三代以2219為代表的升級版鋁銅合金加入了鈦、釩等元素，從而實現(xiàn)了良好的焊接特性，焊接時金屬的融化、凝固過程更加溫和。

值得一提的是，從2219開始火箭外殼開始采用“攪拌摩擦”焊接工藝，不再是以前熔化金屬進而焊接的方式，大幅減少焊接時熱裂紋的產(chǎn)生。前面提到的第四代運載火箭結(jié)構(gòu)材料鋁鋰合金，最顯著的特點就是加入了鋰元素，顯著降低了合金密度也就是火箭更加輕量化，同時保持了結(jié)構(gòu)強度大、易加工、耐腐蝕等一系列優(yōu)秀性能。

2015年首次實現(xiàn)火箭回收技術(shù)的SpaceX“獵鷹9號”，采用的就是2198鋁鋰合金，國產(chǎn)大飛機C919大部分結(jié)構(gòu)材料使用的也是鋁鋰合金。那為什么相對更重的不銹鋼材料，能夠逆輕量化之勢成為國內(nèi)外頭部民營企業(yè)火箭研發(fā)的主體材料？

02

商業(yè)市場的最佳選擇 

先說結(jié)論，不銹鋼的主要優(yōu)勢就是耐高溫，同時便宜量大的它又極其符合商業(yè)航天領(lǐng)域越來越重視的成本、經(jīng)濟性、盈利等考量，所以才會在當下成為一個“激進”又合理的選擇。

又輕又結(jié)實的材料除了上面提到的各類鋁合金，其實還有碳纖維，SpaceX曾經(jīng)也想過用碳纖維取代鋁合金來作為燃料罐的主材料。但是碳纖維材料容易出現(xiàn)褶皺，制造過程又非常緩慢且成本高昂，據(jù)馬斯克在采訪中透露，每公斤碳纖維材料成本為130美元。

《埃隆·馬斯克自傳》中提到，馬斯克相信在制造火箭時要采用“快速失敗”機制。換句話說就是甘愿冒險，火箭炸就炸了，炸了以后再反思、學習、修正，然后重復(fù)冒險，“我們不想在設(shè)計中消除所有風險，否則我們將一事無成”。要是想滿足這種“以飛代試”的想法，昂貴的碳纖維沒戲，無法滿足星艦可回收復(fù)用目標的鋁合金也被淘汰。

要知道“星艦”是一個超大型的兩級火箭：第一級助推器被稱為“Super Heavy（超重）”，高約69米，由33臺“猛禽”發(fā)動機組成，燃料裝載量約3400噸；第二級則是狹義上的“星艦”航天器，高約50米，燃料裝載量為1200噸，能搭乘宇航員或貨物，近地軌道有效負載能力為100到150噸。無論是尺寸還是有效載荷都令人咂舌，舉個例子，我國用來發(fā)射空間站的長征五號B運載火箭因為尺寸大被昵稱為“胖五”，但其體積還不到星艦的四分之一。   

要想讓其二級星艦實現(xiàn)回收復(fù)用，要保證這個大型航空器能在發(fā)射和再入大氣層時抵擋住迎風面不低于1200甚至于1600攝氏度的溫度。這對于鋁合金來說基本不可能，因為鋁合金的熔點在600攝氏度左右，超過150攝氏度它就會開始喪失機械強度。如果沿用鋁合金作為主體材料，星艦回收艙就必須通體覆蓋防熱層或隔熱瓦，這也會大大增加星艦的生產(chǎn)成本。

米格25戰(zhàn)斗機大面積采用不銹鋼作為主體材料

如果換用熔點更高的不銹鋼，是不是就更容易承受重返地球時大氣層的熱量？這一點前蘇聯(lián)就已經(jīng)實踐過了。前蘇聯(lián)著名戰(zhàn)斗機米格25渾身上下有80%的材料是不銹鋼，9%是鈦合金，剩下的才是鋁合金。米格25最顯著的特點就是快，其速度能達到2.8馬赫（1馬赫大約是340.3米/秒），甚至可以甩開同時代的導(dǎo)彈。   

但高速運行就會產(chǎn)生極強的氣動加熱，彼時研究人員發(fā)現(xiàn)，如果馬赫數(shù)達到3，飛機蒙皮也就是包圍在飛機骨架結(jié)構(gòu)外、用粘接劑或鉚釘固定于骨架上的構(gòu)件溫度會上升到300多度，任何鋁合金都得軟化。焊接技術(shù)成熟、能在400度高溫下保持強度的不銹鋼脫穎而出。

用在火箭上時，不銹鋼在800度甚至到1000度，都有足夠的強度，因此只需在迎風面鋪隔熱瓦，背風面直接上不銹鋼即可，又一定程度上減輕了重量。         

另一方面，不銹鋼雖然重點，但是經(jīng)過工程師測算，在星艦將面臨的宇宙環(huán)境中，不銹鋼可能會使火箭整體更輕，甚至在極寒溫度下不銹鋼的強度還會增加50%，意味著它更適合裝載超低溫燃料液氧和液氮。

從商業(yè)角度看，不銹鋼成本僅為碳纖維成本的2%，焊接過程也很容易：不要求超凈環(huán)境，也不在意什么工藝，既可以在大帳篷里焊，也可以在戶外露天焊。這都完美地契合了馬斯克“以飛代試”的理念。

藍箭航天公開信息顯示，朱雀三號火箭的貯箱結(jié)構(gòu)、箭體結(jié)構(gòu)都有采用高強度不銹鋼材料，因此可以大幅降低火箭的制造成本，縮短生產(chǎn)周期。而星艦要比朱雀三號極端的多，它的箭體結(jié)構(gòu)件、外殼和燃料貯箱都已經(jīng)換上了不銹鋼材料，只不過至今還沒能成功入軌。未來火箭如果要實現(xiàn)真正的航班化運營，不銹鋼材料或許是最佳方案之一——只要能平衡重量問題。

03

以量制“量”

航天活動中的每一克載荷都很寶貴，這也是為什么很多業(yè)內(nèi)人士一開始不支持不銹鋼上火箭的原因。我們常見的304不銹鋼做家里的鍋碗瓢盆是很輕，但是和鋁鋰合金比起來還是重了太多，304不銹鋼的密度大概是現(xiàn)在航天界常見的鋁鋰合金材料的三倍，且在同等強度要求下，不銹鋼用料也要更多。   

星艦箭體的不銹鋼材料

這個天生的重量問題不可能消失，只能用優(yōu)勢去平衡，比如提高每次發(fā)射的有效載荷。上面提到過不銹鋼的焊接優(yōu)勢，這也保證了不銹鋼火箭能比鋁鋰合金火箭造得更大，看看星艦就知道了。

箭體變大，推力相應(yīng)的也要增加。除了多發(fā)動機并聯(lián)外，星艦和朱雀二號、三號都選擇了液氧甲烷作為推進劑，星艦選擇的還是研制難度大但效率最高的全流量補燃循環(huán)發(fā)動機。

這樣一來，不銹鋼的重量劣勢確實可以暫時妥協(xié)，只不過這一選擇是否能讓超大型飛行器飛進太空再平穩(wěn)落地回收，都還要再等一等。