「星艦」二射又炸了，用你家保溫杯的不鏽鋼造「獨木舟」能送你去火星？

來源：潮新聞

據環球網報導，香港時間11月18日晚21時左右，美國SpaceX（太空探索）公司的「星艦」超重型火箭點火升空，進行第二次入軌級測試飛行。本次試飛計劃飛行90分鐘，「星艦」飛船首次到達了太空，但發射約10分鐘後失去了聯繫，其自毀系統被迫觸發，試飛被宣佈失敗。

據CNN報導，這次比今年4月嘗試時走得更遠，但不幸的是，依然沒有完成所有預定計劃，最終還是再次爆炸。

4月20日，「星艦」的首次入軌級試飛中持續了3分59秒，最高飛到了39公里，但一二級未能分離，並很快失控翻滾，在地面發出自毀指令40秒後解體爆炸。

自4月份首飛以來，SpaceX對星艦進行了1000多次修改，包括用更穩定的發動機，加固了發射台，升級了自毀裝置，還把一二級分離從冷分離改為熱分離。

在劉慈欣科幻巨作《三體》中，當今人類擁有的化學能火箭飛向深空被形容為「劃著獨木舟橫跨大洋」，是「癡人說夢」。為使未來航天走「可控核聚變無工質推進」之路，主角之一章北海不惜採取行動製造意外，推動了恒星級戰艦的誕生。這些星艦在三體文明入侵的生死關頭飛向遙遠外星系，成為「星艦文明」，為地球文明保留了火種。

真實世界里的伊隆·馬斯克，就像是劃著獨木舟橫跨大洋的「癡人」。他要把化學能火箭的潛力壓榨到極致，他邀請全世界仰望星空之人和他一起大夢幻一場，想把人類歷史快進到移民火星這一集。

而他用以實現「癡人夢」的「獨木舟」，被冠以「星艦」之名——在科幻世界里，這通常指穿梭於恒星系之間的飛船，是未來超級星際文明的標誌。

這枚大火箭，頂著極度高大上的名字和目標，所用的材料和燃料卻極度接地氣——箭體是你手裡的保溫杯、你家高壓鍋的304不鏽鋼造的，所燒的「油」是你家煤氣灶每天在燒的甲烷。

不鏽鋼造的火箭真的能為地球人叩開通向月球和火星的「星際之門」嗎？潮新聞邀請國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光為你做一番科普。

不鏽鋼造大火箭，可不單純是「傻大黑粗」

「不鏽鋼最大的缺點就一個字：重。但優點有很多，強度高，耐高溫耐低溫，而且極其便宜。」楊宇光說。

根據測算，再入大氣層時星艦二子級表面有20%暴露在1470多℃高溫下， 還有20%最高溫是1300多℃，其餘表面最高溫低於1176℃，堪稱「鬼門關」，必須採取足夠的隔熱措施。304不鏽鋼熔點在1398-1454℃，比目前任何主流的箭體材料都要耐高溫，「星艦」還有1.5萬多塊隔熱瓦，能經受1648℃高溫，而不鏽鋼也可以扛一扛。馬斯克本來想在「星艦」二子級上用碳纖維，但是碳纖維抗高溫不行，就大膽改成了不鏽鋼。

太空裡更多是極寒的環境，不鏽鋼即使在零下160℃也能保持足夠的延展性和強度，在平均溫度零下63℃的火星表面就能遊刃有餘。更神奇的是，不鏽鋼在低溫條件下強度會提高50%，甚至高於鋁鋰合金，添加鉻鎳的不鏽鋼還會增加12-18%的延展性，比碳纖維還堅固。

然後就是廉價，不鏽鋼簡直太便宜了。304不鏽鋼在我們生活中很常見，家裡的高壓鍋、保溫杯、櫥櫃……隨處可見。

在馬斯克最關心的價格方面，他算過一筆賬——用碳纖維造火箭，每公斤成本超過135美元，同時碳纖維有35%的損耗，總體算起來每公斤要花200美元；用鋁合金也要每公斤三四十美元；用301不鏽鋼薄板造同樣的火箭，每公斤才3美元！

這還沒完，碳纖維製造工藝複雜，技術人員每小時薪金得250美元，而銲接不鏽鋼板的普通焊工每小時薪金不到50美元。馬斯克曾說，NASA的SLS重型火箭花費的錢，夠「星艦」炸100次。

「不過，太重的確是個很大缺陷，因為航空航天材料都追求一個‘輕’字，為減重的每一克奮鬥。」楊宇光介紹，「箭體太重，推力又不變，有效載荷就小了，所能帶的燃料和貨物就少了。」

因此，想要採用不鏽鋼當箭體材料，必須有前提條件。「發動機必須足夠優秀。‘星艦’的‘猛禽II’全流量分級燃燒循環液氧甲烷發動機，做得個子又小、推力又大、比衝又高，這些優點彌補了不鏽鋼在重量上帶來的損失。」楊宇光說。

另外一點，如果火箭做得特別大，也可以部分彌補不鏽鋼太重的缺點。換言之，就主打一個「大力出奇蹟」，這也正是「星艦」的設計思路。

不過楊宇光強調，我們不能單純以為「星艦」就是「傻大黑粗」，其實「星艦」的不鏽鋼箭體非常有技術含量，「它做得非常薄，又大又薄又耐壓，背後的材料技術和加工水平都非常高」。

4月20日「星艦」的首次發射雖然失敗了，但在天上翻滾了好久才解體，恰恰說明其不鏽鋼箭體的強度相當之大。

選擇蘇聯登月火箭一個路數，會不會重蹈覆轍？

自從2016年「星艦」計劃披露以來，坊間便稱呼其為「史上最強大火箭」。它的5000噸起飛重量，大大超越了前世界冠軍美國登月火箭「土星五號」的3039噸，它的7590噸起飛推力也大大超越了前世界冠軍蘇聯登月火箭N1的4620噸。

尤其有話題性的是，「星艦」一級大膽採用33台並聯發動機，密密麻麻簡直能引發有些人的「密集恐懼症」。這被外界認為是延續了半個世紀前N1的一級30台並聯的思路。

N1可不是一個成功的榜樣，從1969年2月到1972年11月，N1火箭四射四炸黯然退場，最終蘇聯在登月競賽中落敗。「星艦」首射也炸了，火箭也同樣失控了，不由讓人懷疑這種用數十台並聯的技術方案有沒有前途。

事實上，蘇聯給登月火箭裝這麼多發動機是出於無奈。「土星五號」採用的F1液氧煤油發動機，單台推力高達680噸，一級只需要5台就能發出3400噸推力。而當時蘇聯造不出那麼強力的發動機，其NK-15發動機推力僅有154噸，為獲得4000多噸推力只得採取30台並聯。

與蘇聯航天部門的處境類似，SpaceX設計「星艦」時，現有的液氧甲烷發動機推力不足，230噸推力的「猛禽II」已是全球現役最強了。

楊宇光告訴潮新聞記者，SpaceX同樣選擇多台並聯，在一個箭體里塞進這麼多發動機，就不能像長征五號、「重型獵鷹」那樣捆綁幾個助推器，還有個重要原因，就是為了重覆使用。

「馬斯克說過，無論多大的火箭，需要的控制系統都差不多，所以火箭越大性價比越高。一個第一級加上兩個助推器，要回收三個箭體，這樣成本比用一個大火箭高多了，過程也複雜多了，越複雜可靠性就越差。」楊宇光解釋說。

然而，「水多加面、面多加水」的邏輯並不完全適用於造火箭。

「火箭發動機的工作環境遠比汽車發動機和航空發動機更惡劣，一樣重量的發動機，火箭推力遠遠高於後兩者。這就不可避免地因為劇烈燃燒產生強烈的振動，出現耦合共振現象。」楊宇光說。

如果幾十台發動機裝在不同箭體上，比方說「重型獵鷹」也有27台發動機，但它是分散在三個箭體上，每個箭體上也就9台，再通過級間連接裝置連在一起，耦合共振沒那麼嚴重。「但如果幾十台裝在同一個箭體上，耦合就厲害得多。共振不單影響發動機，從儲箱到管路到閥門都有影響。」楊宇光分析道，N1的幾次失敗主要不是發動機出故障，而是共振導致管路破裂或閥門壞了。「星艦」4月首射時箭體冒出大量白霧，也可能是管路被震壞導致液氧泄露。

但這不意味著「星艦」一定就會步N1的後塵。「時代畢竟不同了，當前計算機應用能力、動力學、振動分析與控制方面的認知是半個世紀前沒法比的。」楊宇光舉例說，波音公司能做到設計飛機時都不用做風洞試驗，完全靠數字模擬就做到很準。在他看來，從理論上來說，多發動機並聯的問題可以解決。

在正選失敗後，SpaceX採取了很多改進措施，包括噴管擺動從液壓改成了電動，因為液壓受動力學影響更大；發動機之間加了好多隔板，以隔離相互影響；還有計算機數字模擬。「但所有這些都代替不了地面試車。‘土星五號’即便只有5台發動機，都做了全尺寸試車台進行地面試驗，發射時依然出現了耦合共振。」

而馬斯克為了慳錢，沒有建全尺寸地面試車台，「星艦」的試車也無法達到滿功率，只有50%推力。因此問題在理論上能解決，在現實中能否過關，還很難講。

普通人坐「星艦」上天，在可預見的未來還沒戲

在SpaceX的「星艦」藍圖里，未來將完全回收一二級，同時每台發動機理論上可複用50次。最終目標是發射成本只剩下燃料、測控維修等雜費，將每公斤載荷發射成本降到10美元的極低水平，讓普通人都能圓太空夢。目前我們距離這一步還有多遠？

楊宇光坦言：前景不明朗。他舉了航天飛機的例子，來證明「理想豐滿，現實骨感」。

「航天飛機就是入軌級可重覆使用，但為此付出了極大的代價。」據楊宇光介紹，航天飛機全系統起飛重量達2000多噸，如果是常規構型的運載火箭，低軌運力至少能有六七十噸，但是航天飛機的運力只有29噸。付出那麼多代價，第一是為了能載人，第二是為了能回來，能重覆使用。

為了複用，航天飛機不僅運力損失了一多半，每次回來還都要做非常複雜的檢修，它的每塊隔熱瓦形狀都不同，難以標準化量產。「星艦」好一點，大多數防熱瓦形狀是一樣的，但靠近頂部以及升降翼面的防熱瓦也不一樣，要更換這些必然帶來時間和人才成本。「因為技術過於激進，首先能不能成功還要打個問號；即便完全複用在實踐中成功了，最終是不是慳錢也不好說。」

尤其是未來「星艦」要計劃載人飛行，安全將會是更大的難關。航天飛機只是載7個人，在135次飛行中就炸了兩次（1986年的「挑戰者」號和2003年的「哥倫比亞」號），共有14名航天員遇難。「星艦」一方面要極致地壓縮成本，另一方面要一次運載100人，萬一發生一次嚴重事故，基本可以肯定這100人都無法生還，這對於「星艦」計劃帶來的衝擊是難以想像的。

載人航天的安全要求有多嚴格？楊宇光舉了個例子：SpaceX本想在載人「龍」飛船上使用火箭反推著陸，但被NASA和FAA（美國聯邦航空管理局）給否決了，還是擔心反推太不安全，要求SpaceX改回降落傘減速著陸。

「‘龍’飛船外形非常短粗，其8台發動機只要4台工作就能著陸，就這樣美國官方都不允許。‘星艦’二子級可比‘龍’飛船要細長得多，稍微一歪就可能倒、可能炸，風險太大，至今只成功回收過一次。不載人也就算了，載人的話，官方怎麼可能開綠燈？」

楊宇光提醒說，「星艦」載人的二子級要想重覆使用，其唯一的著陸方式就是火箭反推，因為其空重達120噸，這遠遠超出了降落傘的承重極限。

如果管理部門不允許，那麼「星艦」載人飛行也只是空中樓閣，且不說登陸和移民火星，就算載客從紐約到上海都不可能實現。

「星艦」更擅長繞著地球轉，而不是飛向月球火星

楊宇光進一步指出，「星艦」事實上不太適合送人送貨月球、火星，最適合它的工作是繞著地球轉，比如發射衛星到近地軌道。

「因為發射深空載荷需要更高的速度，只有級數多，速度才能加上去。比如‘土星五號’是三級火箭，N1更達到了五級；再比如，發射‘天問一號’火星探測器的長征五號基本型是兩級半，專門發射空間站的長征五號B就是一級半。」楊宇光認為，「星艦」為了百分百可重覆使用，選擇了兩極構型，對於近地軌道是合算的、高效的，但對於深空運輸來說效率卻是極低的。

所以，「‘星艦’是人類有史以來最強大的火箭」這個說法在他看來是有問題的。「你說它是最大最重的火箭那沒有問題，近地軌道運力250噸它絕對是最大的，但如果是奔月軌道，‘星艦’不在軌補充推進劑的話，恐怕不如‘土星五號’。」

據楊宇光透露，根據SpaceX的計劃，「星艦」從地球去火星，要先在近地軌道加註液氧甲烷推進劑多達5次；如果是去月球，更是要補8-10次，因為去月球需要的速度增量更大。用來給「星艦」加油的「太空加油機」每天只有1-2次發射窗口及1-2次返回窗口，整個系統和任務搞得過於複雜，其成本和故障率都會指數式上升。

「還有一大難題：液氧甲烷如何在軌長期儲存？雖然這比液氫容易很多，但是人類還沒有做到過，迄今液氧在外太空儲存還沒有超過一天的。」楊宇光分析說，同樣是在太空裡，近地軌道的航天器能得到強大地球磁場的保護，而深空環境要惡劣得多，飛向深空時「星艦」肚子裡大量易燃易爆的燃料會不會出狀況，誰都沒法打包票。

這場邁向「星辰大海」的遠征，再壯麗再浪漫，人類也只能一步一個腳印，摸索著艱難前行。