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激进还是讲究实际效益？

火热的航天事业中，除了发动机的选择外，材料路线的抉择同样重要。

2024年开年，我国头部民营航天企业蓝箭航天大动作不断，先是使用朱雀二号遥三运载火箭将三颗商业卫星送入预定轨道，后又公布了最新的朱雀三号火箭。

据公开信息，朱雀三号同样是可重复使用的两级液氧甲烷火箭，从发动机到运载能力相比于朱雀二号都升级了不少：其箭体直径4.5米，全箭高度76.6米，起飞重量约660吨，起飞推力约900吨，一次性任务低轨运载能力高达21.3吨，航区回收运载能力为18.3吨，返场回收运载能力为12.5吨，一级采用9台天鹊TQ-12B发动机并联——TQ-12B发动机是此前80吨级液氧甲烷发动机TQ-12的改款。

农历新年前，朱雀三号还完成了一次“跳跃实验”，业内俗称“蚱蜢跳”，即验证火箭在60秒内成功垂直起降。能垂直起飞，再在精度约2.4米的着陆位置定点降落，这意味着朱雀三号已经走出火箭“可重复使用”技术的关键一步。

液氧甲烷发动机我们在之前的文章中已经探究过，在SpaceX的带动下，业内尤其是民营企业基本都看到了其未来竞争力，可重复使用火箭的推进剂选择也在快速收缩至同一路线。

火箭推进剂的选择正在收缩

国内除了蓝箭航天外，押注液氧甲烷发动机的民营企业还有很多，比如专注发动机制造的九州云、火箭整箭研发制造的北京星际荣耀等等。但是在国内航天企业中，朱雀三号仍然有另一个不同寻常的特点：其全箭主结构采用的是高强度不锈钢材料，而非主流的铝合金，这还是国内首次。

哪怕不了解火箭的人也知道，火箭要上天，箭体当然要选择又轻又结实的材料，铝合金就是这么脱颖而出的。

先简单介绍一下航天业界的铝合金发展史，现在航空航天产品主要使用的铝合金其实已经属于第四代“铝锂合金”，第一代还是以5A06为代表的“铝镁合金”。添加了镁金属后的铝镁合金无论是强度重量比（比强度）还是刚度重量比（比刚度）都比较优秀，也容易焊接，但是比较难塑形；第二代以2A14为代表的“铝铜合金”，在抗拉强度和屈服强度上远胜铝镁合金，同时也相对较轻，适合用于火箭部件和外壳的制造，但由于铝铜合金相比传统钢铁熔点更高、导热性强，焊接难度变大；第三代以2219为代表的升级版铝铜合金加入了钛、钒等元素，从而实现了良好的焊接特性，焊接时金属的融化、凝固过程更加温和。

值得一提的是，从2219开始火箭外壳开始采用“搅拌摩擦”焊接工艺，不再是以前熔化金属进而焊接的方式，大幅减少焊接时热裂纹的产生。前面提到的第四代运载火箭结构材料铝锂合金，最显著的特点就是加入了锂元素，显著降低了合金密度也就是火箭更加轻量化，同时保持了结构强度大、易加工、耐腐蚀等一系列优秀性能。

2015年首次实现火箭回收技术的SpaceX“猎鹰9号”，采用的就是2198铝锂合金，国产大飞机C919大部分结构材料使用的也是铝锂合金。那为什么相对更重的不锈钢材料，能够逆轻量化之势成为国内外头部民营企业火箭研发的主体材料？

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商业市场的最佳选择

先说结论，不锈钢的主要优势就是耐高温，同时便宜量大的它又极其符合商业航天领域越来越重视的成本、经济性、盈利等考量，所以才会在当下成为一个“激进”又合理的选择。

又轻又结实的材料除了上面提到的各类铝合金，其实还有碳纤维，SpaceX曾经也想过用碳纤维取代铝合金来作为燃料罐的主材料。但是碳纤维材料容易出现褶皱，制造过程又非常缓慢且成本高昂，据马斯克在采访中透露，每公斤碳纤维材料成本为130美元。

《埃隆·马斯克自传》中提到，马斯克相信在制造火箭时要采用“快速失败”机制。换句话说就是甘愿冒险，火箭炸就炸了，炸了以后再反思、学习、修正，然后重复冒险，“我们不想在设计中消除所有风险，否则我们将一事无成”。要是想满足这种“以飞代试”的想法，昂贵的碳纤维没戏，无法满足星舰可回收复用目标的铝合金也被淘汰。

要知道“星舰”是一个超大型的两级火箭：第一级助推器被称为“Super Heavy（超重）”，高约69米，由33台“猛禽”发动机组成，燃料装载量约3400吨；第二级则是狭义上的“星舰”航天器，高约50米，燃料装载量为1200吨，能搭乘宇航员或货物，近地轨道有效负载能力为100到150吨。无论是尺寸还是有效载荷都令人咂舌，举个例子，我国用来发射空间站的长征五号B运载火箭因为尺寸大被昵称为“胖五”，但其体积还不到星舰的四分之一。

要想让其二级星舰实现回收复用，要保证这个大型航空器能在发射和再入大气层时抵挡住迎风面不低于1200甚至于1600摄氏度的温度。这对于铝合金来说基本不可能，因为铝合金的熔点在600摄氏度左右，超过150摄氏度它就会开始丧失机械强度。如果沿用铝合金作为主体材料，星舰回收舱就必须通体覆盖防热层或隔热瓦，这也会大大增加星舰的生产成本。

米格25战斗机大面积采用不锈钢作为主体材料

如果换用熔点更高的不锈钢，是不是就更容易承受重返地球时大气层的热量？这一点前苏联就已经实践过了。前苏联著名战斗机米格25浑身上下有80%的材料是不锈钢，9%是钛合金，剩下的才是铝合金。米格25最显著的特点就是快，其速度能达到2.8马赫（1马赫大约是340.3米/秒），甚至可以甩开同时代的导弹。

但高速运行就会产生极强的气动加热，彼时研究人员发现，如果马赫数达到3，飞机蒙皮也就是包围在飞机骨架结构外、用粘接剂或铆钉固定于骨架上的构件温度会上升到300多度，任何铝合金都得软化。焊接技术成熟、能在400度高温下保持强度的不锈钢脱颖而出。

用在火箭上时，不锈钢在800度甚至到1000度，都有足够的强度，因此只需在迎风面铺隔热瓦，背风面直接上不锈钢即可，又一定程度上减轻了重量。

另一方面，不锈钢虽然重点，但是经过工程师测算，在星舰将面临的宇宙环境中，不锈钢可能会使火箭整体更轻，甚至在极寒温度下不锈钢的强度还会增加50%，意味着它更适合装载超低温燃料液氧和液氮。

从商业角度看，不锈钢成本仅为碳纤维成本的2%，焊接过程也很容易：不要求超净环境，也不在意什么工艺，既可以在大帐篷里焊，也可以在户外露天焊。这都完美地契合了马斯克“以飞代试”的理念。

蓝箭航天公开信息显示，朱雀三号火箭的贮箱结构、箭体结构都有采用高强度不锈钢材料，因此可以大幅降低火箭的制造成本，缩短生产周期。而星舰要比朱雀三号极端的多，它的箭体结构件、外壳和燃料贮箱都已经换上了不锈钢材料，只不过至今还没能成功入轨。未来火箭如果要实现真正的航班化运营，不锈钢材料或许是最佳方案之一——只要能平衡重量问题。

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以量制“量”

航天活动中的每一克载荷都很宝贵，这也是为什么很多业内人士一开始不支持不锈钢上火箭的原因。我们常见的304不锈钢做家里的锅碗瓢盆是很轻，但是和铝锂合金比起来还是重了太多，304不锈钢的密度大概是现在航天界常见的铝锂合金材料的三倍，且在同等强度要求下，不锈钢用料也要更多。

星舰箭体的不锈钢材料

这个天生的重量问题不可能消失，只能用优势去平衡，比如提高每次发射的有效载荷。上面提到过不锈钢的焊接优势，这也保证了不锈钢火箭能比铝锂合金火箭造得更大，看看星舰就知道了。

箭体变大，推力相应的也要增加。除了多发动机并联外，星舰和朱雀二号、三号都选择了液氧甲烷作为推进剂，星舰选择的还是研制难度大但效率最高的全流量补燃循环发动机。

这样一来，不锈钢的重量劣势确实可以暂时妥协，只不过这一选择是否能让超大型飞行器飞进太空再平稳落地回收，都还要再等一等。