“星舰”二射又炸了用你家保温杯的不锈钢造“独木舟”能送你去火星？

在刘慈欣科幻巨作《三体》中，当今人类拥有的化学能火箭飞向深空被形容为“划着独木舟横跨大洋”，是“痴人说梦”。

为使未来航天走“可控核聚变无工质推进”之路，主角之一章北海不惜采纳行动制造意外，推动了恒星级战舰的出身。
这些星舰在三体文明入侵的死活关头飞向迢遥外星系，成为“星舰文明”，为地球文明保留了火种。

真实天下里的伊隆马斯克，就像是划着独木舟横跨大洋的“痴人”。
他要把化学能火箭的潜力压榨到极致，他约请全天下仰望星空之人和他一起大梦一场，想把人类历史快进到移民火星这一集。

2014年5月29日，马斯克在位于加州霍索恩的SpaceX总部。
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而他用以实现“痴人梦”的“独木舟”，被冠以“星舰”之名——在科幻天下里，这常日指穿梭于恒星系之间的飞船，是未来超级星际文明的标志。

这枚大火箭，顶着极度高大上的名字和目标，所用的材料和燃料却极度接地气——箭体是你手里的保温杯、你家高压锅的304不锈钢造的，所烧的“油”是你家煤气灶每天在烧的甲烷。

液氧甲烷是当下最适宜打开通天之门的航天动力，没有之一。
对此潮新闻在宣布浙产火箭朱雀二号从“星舰”手中抢下“环球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭”桂冠中，有过详细的阐述。

不锈钢造的火箭真的能为地球人叩开通向月球和火星的“星际之门”吗？潮新闻约请国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光为你做一番科普。

4月10日，美国得克萨斯州博卡奇卡，星舰在发射台上。
图源：视觉中国

不锈钢造大火箭，可不纯挚是“傻大黑粗”

“不锈钢最大的缺陷就一个字：重。
但优点有很多，强度高，耐高温耐低温，而且极其便宜。
”杨宇光说。

根据测算，再入大气层时星舰二子级表面有20%暴露在1470多℃高温下， 还有20%最高温是1300多℃，别的表面最高温低于1176℃，堪称“鬼门关”，必须采纳足够的隔热方法。
304不锈钢熔点在1398-1454℃，比目前任何主流的箭体材料都要耐高温，“星舰”还有1.5万多块隔热瓦，能经受1648℃高温，而不锈钢也可以扛一扛。
马斯克本来想在“星舰”二子级上用碳纤维，但是碳纤维抗高温弗成，就大胆改成了不锈钢。

太空里更多是极寒的环境，不锈钢纵然在零下160℃也能保持足够的延展性和强度，在均匀温度零下63℃的火星表面就能游刃有余。
更神奇的是，不锈钢在低温条件下强度会提高50%，乃至高于铝锂合金，添加铬镍的不锈钢还会增加12-18%的延展性，比碳纤维还坚固。

然后便是廉价，不锈钢切实其实太便宜了。
304不锈钢在我们生活中很常见，家里的高压锅、保温杯、橱柜……随处可见。

2020年10月29日，金华哈尔斯工厂的工人在考验产出的不锈钢真空器皿。
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在马斯克最关心的价格方面，他算过一笔账——用碳纤维造火箭，每公斤本钱超过135美元，同时碳纤维有35%的损耗，总体算起来每公斤要花200美元；用铝合金也要每公斤三四十美元；用301不锈钢薄板造同样的火箭，每公斤才3美元！

这还没完，碳纤维制造工艺繁芜，技能职员每小时人为得250美元，而焊接不锈钢板的普通焊工每小时人为不到50美元。
马斯克曾说，NASA的SLS重型火箭花费的钱，够“星舰”炸100次。

“不过，太重的确是个很大毛病，由于航空航资质料都追求一个‘轻’字，为减重的每一克奋斗。
”杨宇光先容，“箭体太重，推力又不变，有效载荷就小了，所能带的燃料和货色就少了。
”

因此，想要采取不锈钢当箭体材料，必须有条件条件。
“发动机必须足够精良。
‘星舰’的‘猛禽II’全流量分级燃烧循环液氧甲烷发动机，做得个子又小、推力又大、比冲又高，这些优点填补了不锈钢在重量上带来的丢失。
”杨宇光说。

其余一点，如果火箭做得特殊大，也可以部分填补不锈钢太重的缺陷。
换言之，就主打一个“大力失事业”，这也正是“星舰”的设计思路。

不过杨宇光强调，我们不能纯挚以为“星舰”便是“傻大黑粗”，实在“星舰”的不锈钢箭体非常有技能含量，“它做得非常薄，又大又薄又耐压，背后的材料技能和加工水平都非常高”。

4月20日“星舰”的首次发射虽然失落败了，但在天上翻滚了好久才解体，正好解释其不锈钢箭体的强度相称之大。

上图为N1火箭第一级的30台发动机，下图为“星舰”第一级的33台发动机。
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选择苏联登月火箭一个路数，会不会重蹈覆辙？

自从2016年“星舰”操持表露以来，坊间便称呼其为“史上最强大火箭”。
它的5000吨起飞重量，大大超越了前世界冠军美国登月火箭“土星五号”的3039吨，它的7590吨起飞推力也大大超越了前世界冠军苏联登月火箭N1的4620吨。

尤其有话题性的是，“星舰”一级大胆采取33台并联发动机，密密麻麻切实其实能引发有些人的“密集恐怖症”。
这被外界认为是延续了半个世纪前N1的一级30台并联的思路。

N1可不是一个成功的榜样，从1969年2月到1972年11月，N1火箭四射四炸黯然退场，终极苏联在登月竞赛中落败。
“星舰”首射也炸了，火箭也同样失落控了，不由让人疑惑这种用数十台并联的技能方案有没有出息。

事实上，苏联给登月火箭装这么多发动机是出于无奈。
“土星五号”采取的F1液氧石油发动机，单台推力高达680吨，一级只须要5台就能发出3400吨推力。
而当时苏联造不出那么强力的发动机，其NK-15发动机推力仅有154吨，为得到4000多吨推力只得采纳30台并联。

苏联N1登月火箭。

与苏联航天部门的处境类似，SpaceX设计“星舰”时，现有的液氧甲烷发动机推力不敷，230吨推力的“猛禽II”已是环球现役最强了。

杨宇光见告潮新闻，SpaceX同样选择多台并联，在一个箭体里塞进这么多发动机，就不能像长征五号、“重型猎鹰”那样捆绑几个助推器，还有个主要缘故原由，便是为了重复利用。

“马斯克说过，无论多大的火箭，须要的掌握系统都差不多，以是火箭越大性价比越高。
一个第一级加上两个助推器，要回收三个箭体，这样本钱比用一个大火箭高多了，过程也繁芜多了，越繁芜可靠性就越差。
”杨宇光阐明说。

然而，“水多加面、面多加水”的逻辑并不完备适用于造火箭。

“火箭发动机的事情环境远比汽车发动机和航空发动机更恶劣，一样重量的发动机，火箭推力远远高于后两者。
这就不可避免地由于剧烈燃烧产生强烈的振动，涌现耦合共振征象。
”杨宇光说。

如果几十台发动机装在不同箭体上，比方说“重型猎鹰”也有27台发动机，但它是分散在三个箭体上，每个箭体上也就9台，再通过级间连接装置连在一起，耦合共振没那么严重。
“但如果几十台装在同一个箭体上，耦合就厉害得多。
共振不单影响发动机，从储箱到管路到阀门都有影响。
”杨宇光剖析道，N1的几次失落败紧张不是发动机出故障，而是共振导致管路分裂或阀门坏了。
“星舰”4月首射时箭体冒出大量白雾，也可能是管路被震坏导致液氧透露。

星舰首飞时冒出白烟。
图源：视觉中国

但这不虞味着“星舰”一定就会步N1的后尘。
“时期毕竟不同了，当前打算机运用能力、动力学、振动剖析与掌握方面的认知是半个世纪前没法比的。
”杨宇光举例说，波音公司能做到设计飞机时都不用做风洞试验，完备靠数字仿照就做到很准。
在他看来，从理论上来说，多发动机并联的问题可以办理。

在首发失落败后，SpaceX采纳了很多改进方法，包括喷管摆动从液压改成了电动，由于液压受动力学影响更大；发动机之间加了好多隔板，以隔离相互影响；还有打算机数字仿照。
“但所有这些都代替不了地口试车。
‘土星五号’即便只有5台发动机，都做了全尺寸试车台进行地面试验，发射时依然涌现了耦合共振。
”

而马斯克为了省钱，没有建全尺寸地口试车台，“星舰”的试车也无法达到满功率，只有50%推力。
因此问题在理论上能办理，在现实中能否过关，还很难讲。

1983年4月5日，美国第二架“寻衅者”号航天飞机首航成功，这是其在发射前夕。
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普通人坐“星舰”上天，在可预见的未来还没戏

在SpaceX的“星舰”蓝图里，未来将完备回收一二级，同时每台发动机理论上可复用50次。
终极目标是发射本钱只剩下燃料、测控维修等杂费，将每公斤载荷发射本钱降到10美元的极低水平，让普通人都能圆太空梦。
目前我们间隔这一步还有多远？

杨宇光坦言：前景不明朗。
他举了航天飞机的例子，来证明“空想丰满，现实骨感”。

“航天飞机便是入轨级可重复利用，但为此付出了极大的代价。
”据杨宇光先容，航天飞机全部系起飞重量达2000多吨，如果是常规构型的运载火箭，低轨运力至少能有六七十吨，但是航天飞机的运力只有29吨。
付出那么多代价，第一是为了能载人，第二是为了能回来，能重复利用。

为了复用，航天飞机不仅运力丢失了一多数，每次回来还都要做非常繁芜的检修，它的每块隔热瓦形状都不同，难以标准化量产。
“星舰”好一点，大多数防热瓦形状是一样的，但靠近顶部以及升降翼面的防热瓦也不一样，要改换这些一定带来韶光和人才本钱。
“由于技能过于激进，首先能不能成功还要打个问号；即便完备复用在实践中成功了，终极是不是省钱也不好说。
”

尤其是未来“星舰”要操持载人翱翔，安全将会是更大的难关。
航天飞机只是载7个人，在135次翱翔中就炸了两次（1986年的“寻衅者”号和2003年的“哥伦比亚”号），共有14名航天员罹难。
“星舰”一方面要极致地压缩本钱，另一方面要一次运载100人，万一发生一次严重事件，基本可以肯定这100人都无法生还，这对付“星舰”操持带来的冲击是弗成思议的。

2021年5月2日，载人“龙”飞船从国际空间站返回地球，溅落在墨西哥湾。
图源：视觉中国

载人航天的安全哀求有多严格？杨宇光举了个例子：Space X本想在载人“龙”飞船上利用火箭反推着陆，但被NASA和FAA（美国联邦航空管理局）给反对了，还是担心反推太不屈安，哀求Space X改回降落伞减速着陆。

“‘龙’飞船形状非常短粗，其8台发动机只要4台事情就能着陆，就这样美国官方都不许可。
‘星舰’二子级可比‘龙’飞船要苗条得多，轻微一歪就可能倒、可能炸，风险太大，至今只成功回收过一次。
不载人也就算了，载人的话，官方怎么可能开绿灯？”

杨宇光提醒说，“星舰”载人的二子级要想重复利用，其唯一的着陆办法便是火箭反推，由于其空重达120吨，这远远超出了降落伞的承重极限。

如果管理部门不许可，那么“星舰”载人翱翔也只是空中楼阁，且不说上岸和移民火星，就算载客从纽约到上海都不可能实现。

4月15日的星舰。
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“星舰”更善于绕着地球转，而不是飞向月球火星

杨宇光进一步指出，“星舰”事实上不太适宜送人送货月球、火星，最适宜它的事情是绕着地球转，比如发射卫星到近地轨道。

“由于发射深空载荷须要更高的速率，只有级数多，速率才能加上去。
比如‘土星五号’是三级火箭，N1更达到了五级；再比如，发射‘天问一号’火星探测器的长征五号基本型是两级半，专门发射空间站的长征五号B便是一级半。
”杨宇光认为，“星舰”为了百分百可重复利用，选择了两极构型，对付近地轨道是合算的、高效的，但对付深空运输来说效率却是极低的。

以是，“‘星舰’是人类有史以来最强大的火箭”这个说法在他看来是有问题的。
“你说它是最大最重的火箭那没有问题，近地轨道运力250吨它绝对是最大的，但如果是奔月轨道，‘星舰’不在轨补充推进剂的话，恐怕不如‘土星五号’。
”

据杨宇光透露，根据SpaceX的操持，“星舰”从地球去火星，要先在近地轨道加注液氧甲烷推进剂多达5次；如果是去月球，更是要补8-10次，由于去月球须要的速率增量更大。
用来给“星舰”加油的“太空加油机”每天只有1-2次发射窗口及1-2次返回窗口，全体系统和任务搞得过于繁芜，其本钱和故障率都会指数式上升。

“还有一大难题：液氧甲烷如何在轨长期储存？虽然这比液氢随意马虎很多，但是人类还没有做到过，迄今液氧在外太空储存还没有超过一天的。
”杨宇光剖析说，同样是在太空里，近地轨道的航天器能得到强大地球磁场的保护，而深空环境要恶劣得多，飞向深空时“星舰”肚子里大量易燃易爆的燃料会不会出状况，谁都没法打包票。

这场迈向“星辰大海”的远征，再壮丽再浪漫，人类也只能一步一个脚印，摸索着困难前行。

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