“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？

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据环球网报道，北京时间11月18日晚21时左右，美国SpaceX（太空探索）公司的“星舰”超重型火箭点火升空，进行第二次入轨级测试飞行。本次试飞计划飞行90分钟，“星舰”飞船首次到达了太空，但发射约10分钟后失去了联系，其自毁系统被迫触发，试飞被宣布失败。据CNN报道，这次比今年4月尝试时走得更远，但不幸的是，依然没有完成所有预定计划，最终还是再次爆炸。4月20日，“星舰”的首次入轨级试飞中持续了3分59秒，最高飞到了39公里，但一二级未能分离，并很快失控翻滚，在地面发出自毁指令40秒后解体爆炸。自4月份首飞以来，SpaceX对星舰进行了1000多次修改，包括用更稳定的发动机，加固了发射台，升级了自毁装置，还把一二级分离从冷分离改为热分离。

4月20日，“星舰”首次轨道级测试飞行任务。图源：视觉中国

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取行动制造意外，推动了恒星级战舰的诞生。这些星舰在三体文明入侵的生死关头飞向遥远外星系，成为“星舰文明”，为地球文明保留了火种。

真实世界里的伊隆·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，他邀请全世界仰望星空之人和他一起大梦一场，想把人类历史快进到火星这一集。

2014年5月29日，马斯克在位于加州霍索恩的SpaceX总部。图源：视觉中国

而他用以实现“痴人梦”的“独木舟”，被冠以“星舰”之名——在科幻世界里，这通常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。

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？潮新闻邀请国际宇航联空间运输委员会副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，可不单纯是“傻大黑粗”

“不锈钢最大的缺点就一个字：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℃，其余表面最高温低于1176℃，堪称“鬼门关”，必须采取足够的隔热措施。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18℃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，但是碳纤维抗高温不行，就大胆改成了不锈钢。

太空里更多是极寒的环境，不锈钢即使在零下160℃也能保持足够的延展性和强度，在平均温度零下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%，甚至高于铝锂合金，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。

然后就是廉价，不锈钢简直太便宜了。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检验产出的不锈钢真空器皿。图源：视觉中国

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，每公斤成本超过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，碳纤维制造工艺复杂，技术人员每小时工资得250美元，而焊接不锈钢板的普通焊工每小时工资不到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，太重的确是个很大缺陷，因为航空航天材料都追求一个‘轻’字，为减重的每一克奋斗。”杨宇光介绍，“箭体太重，推力又不变，有效载荷就小了，所能带的燃料和货物就少了。”

因此，想要采用不锈钢当箭体材料，必须有前提条件。“发动机必须足够优秀。‘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，这些优点弥补了不锈钢在重量上带来的损失。”杨宇光说。

另外一点，如果火箭做得特别大，也可以部分弥补不锈钢太重的缺点。换言之，就主打一个“大力出奇迹”，这也正是“星舰”的设计思路。

不过杨宇光强调，我们不能单纯以为“星舰”就是“傻大黑粗”，其实“星舰”的不锈钢箭体非常有技术含量，“它做得非常薄，又大又薄又耐压，背后的材料技术和加工水平都非常高”。

4月20日“星舰”的首次发射虽然失败了，但在天上翻滚了好久才解体，恰恰说明其不锈钢箭体的强度相当之大。

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。图源：视觉中国

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”计划披露以来，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”一级大胆采用33台并联发动机，密密麻麻简直能引发有些人的“密集恐惧症”。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，最终苏联在登月竞赛中落败。“星舰”首射也炸了，火箭也同样失控了，不由让人怀疑这种用数十台并联的技术方案有没有前途。

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”采用的F1液氧煤油发动机，单台推力高达680吨，一级只需要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，为获得4000多吨推力只得采取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足，230吨推力的“猛禽II”已是全球现役最强了。

杨宇光告诉潮新闻记者，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，还有个重要原因，就是为了重复使用。

“马斯克说过，无论多大的火箭，需要的控制系统都差不多，所以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，这样成本比用一个大火箭高多了，过程也复杂多了，越复杂可靠性就越差。”杨宇光解释说。

然而，“水多加面、面多加水”的逻辑并不完全适用于造火箭。

“火箭发动机的工作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。这就不可避免地因为剧烈燃烧产生强烈的振动，出现耦合共振现象。”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。”杨宇光分析道，N1的几次失败主要不是发动机出故障，而是共振导致管路破裂或阀门坏了。“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泄露。

星舰首飞时冒出白烟。图源：视觉中国

但这不意味着“星舰”一定就会步N1的后尘。“时代毕竟不同了，当前计算机应用能力、动力学、振动分析与控制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，完全靠数字模拟就做到很准。在他看来，从理论上来说，多发动机并联的问题可以解决。

在首发失败后，SpaceX采取了很多改进措施，包括喷管摆动从液压改成了电动，因为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；还有计算机数字模拟。“但所有这些都代替不了地面试车。‘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，发射时依然出现了耦合共振。”

而马斯克为了省钱，没有建全尺寸地面试车台，“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解决，在现实中能否过关，还很难讲。

1983年4月5日，美国第二架“挑战者”号航天飞机首航成功，这是其在发射前夕。图源：视觉中国

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，未来将完全回收一二级，同时每台发动机理论上可复用50次。最终目标是发射成本只剩下燃料、测控维修等杂费，将每公斤载荷发射成本降到10美元的极低水平，让普通人都能圆太空梦。目前我们距离这一步还有多远？

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

“航天飞机就是入轨级可重复使用，但为此付出了极大的代价。”据杨宇光介绍，航天飞机全系统起飞重量达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，能重复使用。

为了复用，航天飞机不仅运力损失了一多半，每次回来还都要做非常复杂的检修，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，要更换这些必然带来时间和人才成本。“因为技术过于激进，首先能不能成功还要打个问号；即便完全复用在实践中成功了，最终是不是省钱也不好说。”

尤其是未来“星舰”要计划载人飞行，安全将会是更大的难关。航天飞机只是载7个人，在135次飞行中就炸了两次（1986年的“挑战者”号和2003年的“哥伦比亚”号），共有14名航天员遇难。“星舰”一方面要极致地压缩成本，另一方面要一次运载100人，万一发生一次严重，基本可以肯定这100人都无法生还，这对于“星舰”计划带来的冲击是难以想象的。

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

载人航天的安全要求有多严格？杨宇光举了个例子：SpaceX本想在载人“龙”飞船上使用火箭反推着陆，但被NASA和FAA（美国联邦航空管理局）给否决了，还是担心反推太不安全，要求SpaceX改回降落伞减速着陆。

“‘龙’飞船外形非常短粗，其8台发动机只要4台工作就能着陆，就这样美国官方都不允许。‘星舰’二子级可比‘龙’飞船要细长得多，稍微一歪就可能倒、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使用，其唯一的着陆方式就是火箭反推，因为其空重达120吨，这远远超出了降落伞的承重极限。

如果管理部门不允许，那么“星舰”载人飞行也只是空中楼阁，且不说登陆和火星，就算载客从纽约到上海都不可能实现。

4月15日的星舰。图源：视觉中国

“星舰”更擅长绕着地球转，而不是飞向月球火星

杨宇光进一步指出，“星舰”事实上不太适合送人送货月球、火星，最适合它的工作是绕着地球转，比如发射卫星到近地轨道。

“因为发射深空载荷需要更高的速度，只有级数多，速度才能加上去。比如‘土星五号’是火箭，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就是一级半。”杨宇光认为，“星舰”为了百分百可重复使用，选择了两极构型，对于近地轨道是合算的、高效的，但对于深空运输来说效率却是极低的。

所以，“‘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的计划，“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，因为去月球需要的速度增量更大。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，整个系统和任务搞得过于复杂，其成本和故障率都会指数式上升。

“还有难题：液氧甲烷如何在轨长期储存？虽然这比液氢容易很多，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。”杨宇光分析说，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，摸索着艰难前行。

（来源：潮新闻）