在大众的普遍认知中，钢铁向来属于重量较大的材料。而运载火箭通常为了搭载更多的有效载荷，往往会朝着轻质化的方向发展。然而，星舰却与众不同，采取了看似与常规相悖的做法，这是为何呢？
今天我们就来聊聊：SpaceX的星舰为啥要用不锈钢？
在探讨火箭制造材料时，SpaceX 起初计划选用碳纤维来打造星舰。碳纤维具备诸多优良特性，如耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳，热导性良好且质地轻盈，这些特点似乎与星舰作为超大型运载火箭的需求完美契合。不过，实际应用中却暴露出不少棘手问题。从成本角度来看，碳纤维价格高昂，每公斤售价高达 130 美元，而且在生产过程中还会产生 35%的损耗，这无疑大幅增加了制造成本。加工制造环节同样面临重重困难。火箭箭体各个部位所需的碳纤维层数在 60 至 220 层之间有所差异，在加工时要确保不产生气泡、杂质等瑕疵，这对工艺要求极高。此外，由于碳纤维的制造常需借助高压釜，而星舰直径达 9 米、高度为 121 米，如此庞大的尺寸意味着需要一个巨型高压釜来满足生产需求，这进一步提升了加工的难度和成本。星舰的燃料罐与氧气罐内部压力极大，而碳纤维属于多孔材料，其含有的碳和树脂在高温纯氧环境下极易燃烧，因此必须在燃料罐内增设惰性衬里以防止气体泄漏，这无疑增加了制造的复杂性和成本。还有一个关键问题，火箭再入大气层时，表面温度至少会升至 1200 度，在此高温下，碳纤维的强度会急剧下降。为保障其性能，就不得不配备厚重的隔热瓦，如此一来，碳纤维原本的轻量优势便消失殆尽，同时还使得研发难度和成本大幅攀升。接下来对比一下大多数火箭常用的铝合金材料，以猎鹰 9 号所采用的铝锂合金为例。铝锂合金具有强度高、韧性好、耐腐蚀、抗疲劳以及质量轻等优点，并且加工相对容易，其每公斤价格约为 40 美元，成本优势明显。不过，铝锂合金也并非完美无缺，其加工难点在于焊接难度较大，通常需要采用摩擦焊接技术。而且，铝锂合金最大的问题在于，当温度超过 200 度时，其强度会迅速降低，所以同样需要配备厚重的隔热瓦来确保火箭在高温环境下的性能。（图：使用铝锂合金的猎鹰9号发射 图源SpaceX）在对碳纤维和铝合金这两种材料进行了解后，让我们把目光转向不锈钢在星舰制造中的应用情况。其一，成本优势极为显著，不锈钢的价格相当低廉，每公斤仅需 4 美元。其二是强度特性。在低温环境下，不锈钢的强度能够实现大幅提升，可达到室温下强度的两倍之多。这种特性与星舰所采用的液氧甲烷推进剂环境高度适配，为火箭的结构强度提供了有力保障。不过，常规的 301 不锈钢在低温条件下存在韧性不足的问题，容易发生断裂现象。尽管 304 不锈钢对此有所改进，但仍然无法完全满足星舰的需求。鉴于此，SpaceX 自主研发了 30X 不锈钢，这种新型不锈钢在低温环境下展现出了良好的韧性和弹性，其强度表现与碳纤维和铝锂合金在同等条件下不相上下，从而在强度性能上为星舰的选材提供了可靠的新选择。再者，不锈钢在耐高温方面表现出色。与碳纤维和铝锂合金截然不同的是，不锈钢即使处于 800 度乃至 1000 度的高温环境中，依然能够维持足够的强度。这一特性使得星舰在隔热设计上得以简化，仅需铺设很薄的隔热瓦，并且只需在迎风面布置隔热瓦即可，这不仅有效减轻了星舰的整体重量，而且降低了隔热系统的复杂性和成本。另外，不锈钢的加工工艺相对简便，甚至无需进行喷漆处理，这进一步减少了制造环节的工序和成本，提高了生产效率。综上所述，选用不锈钢来建造星舰具有多方面的显著优势，包括但不限于成本低廉、整体重量较轻、加工过程简便易行，以及在耐高温、耐腐蚀等关键性能方面表现卓越，这些优势综合起来，使得不锈钢成为星舰制造材料中的理想之选。（图：只铺了一面隔热瓦的星舰 图源：SpaceX）从某种程度而言，猛禽发动机堪称星舰选用不锈钢作为建造材料的坚实后盾。猛禽发动机是由 SpaceX 自主研发的全流量分级燃烧循环甲烷发动机，其规格为直径 1.3 米，高度 3.1 米，至今已经发展到了 V3 版本。该发动机单机推力可达 270 吨，运用甲烷与液氧作为燃料组合，展现出了强大的动力性能。在星舰的设计架构中，一级超重推进器配备了 33 台猛禽发动机，如此强大的发动机集群能够产生高达 7590 吨的起飞推力。而二级星舰飞船则安装了 3 台常规猛禽发动机以及 3 台猛禽真空版发动机，其综合推力达到 1500 吨。弥补了不锈钢在重量上带来的损失。我国商业航天领域的蓝箭航天公司，在其研发的可回收复用火箭朱雀三号的制造过程中，选用了不锈钢材质，这使得朱雀三号成为我国首款采用不锈钢打造的运载火箭。按照规划，朱雀三号预计于 2025 年迎来首飞时刻，并且极有可能达成一级火箭的垂直回收这一关键目标。成为我国第一个实现火箭复用的商业航天企业。
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