航天史上第一型钢铁巨箭，不锈钢是如何战胜铝合金的？

北京时间2023年4月20日21:33，星舰S24/超级重型B7（星舰系统）运载火箭从位于德克萨斯州博卡奇卡的太空探索技术公司星舰基地测试场点火升空，旨在进行首次亚轨道测试飞行。本次发射点火起飞、飞行初段正常，到了一二级分离阶段箭体开始翻滚并掉高度，地面最终启动发射终止系统让火箭自毁，发射失利。

星舰系统首飞虽未达成完成飞行的最高目标，但是其成功离开地面并最高到达39千米的高度已是一种成功，毕竟这是一型开众多先河的开创性产品，研制难度可想而知。作为一型与众不同的火箭，星舰系统除了是有史以来最高、最重的运载火箭，还是一型钢铁巨箭，全箭结构主要采用不锈钢材料，这是前所未见的。

不锈钢战胜铝合金！更适合星际航行的材料

自世界航天事业诞生至今，经过不断地选择和发展，铝、铝合金及铝基复合材料成为了运载火箭结构使用量最大的一类材料，占到火箭结构质量的85%以上。以太空探索技术集团公司（SpaceX）的“猎鹰九号”火箭为例，其质量占比最大的箭体部组件——推进剂贮箱使用的就是 2098铝合金（Al-3.5Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），该材料属于肯联铝业公司伊苏瓦尔轧制厂与魁北克研发中心历时8年研发的Weldalite 铝-锂合金（Weldalite Al-Li合金）家族，其疲劳强度高，原是为美国国家航空航天局（NASA）高速民用运输机计划（HSCT）机身研发的，后用于F16战斗机机身。那么，运载火箭为什么选择铝合金？

铝合金具有密度小（不大于2.8克/立方厘米）、比强度与比刚度（比模量）大、抗腐蚀、抗疲劳、韧性好、加工成型性能优秀，是资源丰富、价格适中、对人体与环境无害、循环性能最优的工业金属，因此在国民经济各部门获得了广泛应用，已成为第二大金属，广泛应用于航空航天各领域。那么，为什么星舰系统不使用成熟的铝合金材料？

运载火箭使用一型材料首先要看材料性能是否满足需要，其次看价格是否合适。铝合金作为传统运载火箭用量最大的一种材料，其比强度、比模量等基本性能指标已经能够满足运载火箭的发射需求。但是星舰并不是一型传统火箭，其芯二级需要实现回收复用，这就需要能够抵挡不低于1200度的烧蚀温度，这对于铝合金来说是无法办到的，因为铝合金的熔点在600度上下。如果星舰箭体沿用铝合金就必须和飞船返回舱一样通体覆盖防热层或隔热瓦，这势必大大增加星舰的生产成本，如果换用不锈钢就迎刃而解。

不锈钢的熔点在1400度上下，当星舰从近地轨道返回时，迎风面产生的温度不低于1200摄氏度，不锈钢箭体基本能够抵挡。但是更大的挑战还在后面，按照规划，星舰除了用于近地轨道、洲际运输，还将用于月球以远的月球、火星探测，当星舰从深空返回地球时，其再入大气层时迎风面的温度将达到近3000度，为了抵挡高温，星舰在腹部加装了黑色隔热瓦。

在材料性能方面，相较于铝合金，不锈钢还具有比强度更大、导热率更低等优势，比强度更大有利于建造巨型火箭。导热率更低适合低温液体火箭。

第一型钢铁巨箭！成本降低一个数量级

在性能之外，价格是星舰选择不锈钢的另一个重要因素。目前，猎鹰主体结构使用的 2098铝合金是一种较为高端的铝合金材料，与其成分接近的2198铝合金（
Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），我国相关进口材料的报价是人民币130元/千克，这个价格只能算适中，而锂含量更高的2098单位成本还要明显更高。对于要大规模量产的巨型火箭星舰而言，材料成本必须大幅压缩，星舰选择了属于第一金属——铁金属家族的不锈钢，材料单位价格降低了一个量级。以星舰使用的304L不锈钢卷为例，这是国内外市场上一型比较成熟、大量使用的不锈钢材料，其在我国国内市场的报价低至14元/千克，仅有2198铝合金的1/9。

星舰的起飞质量达到5000吨，设计较优的火箭其结构系数通常为10%左右，即箭体质量占起飞质量的10%，依此推算星舰的箭体质量为500吨左右。星舰箭体大部分由不锈钢构成，假定全部使用304L及与其接近的不锈钢材料，参考国内相关材料市场价格，星舰箭体的材料成本为700万左右（约100万美元），按照50%的材料使用率匡算，单枚星舰的材料消耗成本是1400万左右（约200万美元）。

性能和价格的双重优势，让星舰在权衡之下选择了合金钢——不锈钢，于是就诞生了世界航天史上第一型不锈钢运载火箭，其裸露材料的设计在运载火箭历史上也几乎是前所未有的。作为先行者，星舰在不锈钢应用上还有很多需要摸索的东西，基于已知探索未知是人类向前的基本步骤。只是星舰的步子迈得比较大，新技术比例过高，这使得其首飞失败是预期中的。不过，好在首飞已经完成了起飞升空并正常连续飞行。假以时日，当星舰在曲折往复中取得成功后，将证明不锈钢行，并将会引领运载火箭箭体选材的新趋势。

作者：大白高国