01

激進還是講究實際效益？

火熱的航天事業中，除了發動機的選擇外，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衛星送入預定軌道，后又公布了最新的朱雀三號火箭。

據公開信息，朱雀三號同樣是可重復使用的兩級液氧甲烷火箭，從發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，一次性任務低軌運載能力高達21.3噸，航區回收運載能力為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發動機并聯——TQ-12B發動機是此前80噸級液氧甲烷發動機TQ-12的改款。

農歷新年前，朱雀三號還完成了一次“跳躍實驗”，業內俗稱“蚱蜢跳”，即驗證火箭在60秒內成功垂直起降。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走出火箭“可重復使用”技術的關鍵一步。   

液氧甲烷發動機我們在之前的文章中已經探究過，在SpaceX的帶動下，業內尤其是民營企業基本都看到了其未來競爭力，可重復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

國內除了藍箭航天外，押注液氧甲烷發動機的民營企業還有很多，比如專注發動機制造的九州云、火箭整箭研發制造的北京星際榮耀等等。但是在國內航天企業中，朱雀三號仍然有另一個不同尋常的特點：其全箭主結構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界的鋁合金發展史，現在航空航天產品主要使用的鋁合金其實已經屬于第四代“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鋼鐵熔點更高、導熱性強，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生。前面提到的第四代運載火箭結構材料鋁鋰合金，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，同時保持了結構強度大、易加工、耐腐蝕等一系列優秀性能。

2015年首次實現火箭回收技術的SpaceX“獵鷹9號”，采用的就是2198鋁鋰合金，國產大飛機C919大部分結構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外頭部民營企業火箭研發的主體材料？

02

商業市場的最佳選擇 

先說結論，不銹鋼的主要優勢就是耐高溫，同時便宜量大的它又極其符合商業航天領域越來越重視的成本、經濟性、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褶皺，制造過程又非常緩慢且成本高昂，據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，然后重復冒險，“我們不想在設計中消除所有風險，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回收復用，要保證這個大型航空器能在發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成本。

米格25戰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？這一點前蘇聯就已經實踐過了。前蘇聯著名戰斗機米格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彈。   

但高速運行就會產生極強的氣動加熱，彼時研究人員發現，如果馬赫數達到3，飛機蒙皮也就是包圍在飛機骨架結構外、用粘接劑或鉚釘固定于骨架上的構件溫度會上升到300多度，任何鋁合金都得軟化。焊接技術成熟、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，但是經過工程師測算，在星艦將面臨的宇宙環境中，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構、箭體結構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，縮短生產周期。而星艦要比朱雀三號極端的多，它的箭體結構件、外殼和燃料貯箱都已經換上了不銹鋼材料，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內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，只能用優勢去平衡，比如提高每次發射的有效載荷。上面提到過不銹鋼的焊接優勢，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，推力相應的也要增加。除了多發動機并聯外，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發動機。

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