不要鋁，要鋼！

科技 02-11

主頁君說

「深空之門」環月空間站（現更名為LOP-G）作為

NASA

未來10年乃至20年的旗艦級深空載人任務，近期其藍圖正愈加清晰，是一個有著幾百億美元價值的巨大蛋糕，

波音、洛·馬等各大傳統航天承包商都蠢蠢欲動，意欲分而食之

。但SpaceX作為風頭最勁的航天創企，LOP-G中卻似乎並無份額，公司在德州的荒灘和試車場上興建自己的」鋼鐵「BFR，試車新版猛禽發動機，繼續著自己的」火星夢「。

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Saturn V

如果你最近有上網或者刷朋友圈，想必都看到過SpaceX造的奇葩的宇宙飛船原型機。這個外觀上和任何火箭宇宙飛船都不像，比SpaceX招牌的獵鷹9還要粗的怪物，更像是從丁丁歷險記漫畫里出來的科幻產物。不過比外觀設計更引人注意的是，該原型機是由不鏽鋼建造的，一種現代人絕不會和航空航天領域相關聯的材料。那麼一貫以科技創新著稱的SpaceX，為啥會使用鋼來打造號稱要殖民火星的宇宙飛船呢？要解答這個問題，

不如先考慮下為什麼航空航天領域中很少見到鋼

。

事實上鋁和碳纖維複合材料並非從一開始就統治著航空航天領域，蘇聯曾經在追求高空高速性能的米格-25截擊機上大量使用不鏽鋼，美國則在更誇張3.2馬赫巡航的SR-71上使用昂貴的鈦合金。由於材料技術的不足，早期火箭的貯箱大都採用不鏽鋼製造，而為減輕不鏽鋼帶來的重量貯箱壁僅有幾毫米厚，更像是金屬氣球。就像可樂罐捏不動但空可樂罐一捏就癟一樣，超薄不鏽鋼貯箱的弊端在於火箭需要時刻為箱內加壓以維持結構強度，不然火箭上層的自身重量就足以壓垮貯箱。1963年5月11日，一枚宇宙神-阿金納D火箭（Atlas-Agena）在測試時，由於液氧輸送系統的故障，

發射人員抽出了液氧導致貯箱被火箭自身重量壓垮，火箭上層直接倒在了發射台上

。

隨著材料技術的發展，鋁合金逐漸取代不鏽鋼，不過並不是因為鋁的強度比鋼高，而是鋁的密度比鋼低。換句話說相同重量下鋁的體積更大更足以來維持結構強度，鋁打敗鋼正是因為更高的密度/強度比例。

可以看到在指數比例圖上，合金鋼(High Alloy Steels)的強度是高強度鋁(Aluminium)的1.5-2倍，但其密度至少是鋁的2.5-3倍以上。採用鋁合金建造的貯箱可以更厚，不僅不再需要加壓來維持結構強度，還可以做的更大裝更多推進劑。獵鷹9火箭的RP-1貯箱和液氧貯箱都採用2198鋁鋰合金製造，既然如此為何還要使用不鏽鋼貯箱增加額外重量？這還要涉及金屬合金一項常人不太熟知的指標——熱導率。

熱導率，簡而言之便是材料直接傳導熱能的能力。舉例而言觸摸同一溫度的金屬和木頭，會覺得金屬要比木頭冷很多，

這是因為人類感知的是熱量離開皮膚的速度而非真的溫度

。金屬有著遠高於木頭的熱導率，導致皮膚的熱量更快流失進而給大腦判斷產生更冷的錯覺。

可以看到鋁(Aluminum)的熱導率是不鏽鋼(AISI-304)的30倍，哪怕在高溫情況下也足足有8倍之多。這就直接導致和不鏽鋼貯箱相比，鋁合金貯箱會更快地把外界的熱量傳導給推進劑導致推進劑蒸發。更糟糕的是隨著溫度降低鋁的導熱率會升高，也就是

液氫液氧等低溫推進劑會進一步加快鋁合金的導熱能力，加速推進劑蒸發

。

太空梭貯箱隔熱泡沫塑料材料

現代火箭為解決低溫推進劑過度蒸發問題，除了設置排氣口並保持持續添加的通用方式外，大致分兩種解決手段。第一種便是以太空梭為代表的貯箱隔熱設計，那個顯眼的橙罐（External Tank）之所以是橙色便是因為隔熱泡沫塑料材料是橙色。前兩次太空梭發射STS-1和STS-2更把橙罐外面刷上了一層白漆，以反射長時間陽光下停放時紫外線輻射帶來的熱量，後續發射則因刷漆時間過長且增加重量而放棄。泡沫塑料的額外重量一定程度上抵消了使用鋁合金省下來的重量，

但可以讓航天員在推進劑加註完畢後再進入飛船，確保安全

。

STS-1亮眼的白色貯箱

同樣採用鋁合金貯箱的獵鷹9火箭則完全沒有任何隔熱裝置，為避免超低溫的RP-1和液氧過度蒸發，獵鷹9整體採用白色塗裝且儘可能晚的填充推進劑。

獵鷹9火箭的第一級最晚在發射前5分20秒才填滿推進劑，與之相比太空梭的貯箱在發射前6小時就已經填滿推進劑

。獵鷹9的設計雖然節省下隔熱材料大量重量，但也導致推進劑加註只能在航天員進入飛船後執行，這種「加註-發射」（Load-Go）的方式帶來的安全風險也是拖延NASA下發獵鷹9載人許可的原因之一。好在SpaceX通過載人龍飛船的發射台逃生測試，諸多安全措施和安全設計，最終在2018年5月18日獲得了載人許可。

2018年12月3日的SSO-A任務發射時序，發射前38分鐘才開始加註推進劑

顯然不管是隔熱泡沫還是「加註-發射」的方式都無法在BFR這個龐然大物上使用，巨大的貯箱意味著需要非常多的隔熱材料增加重量，但也不能讓航天員進入飛船後再等上10個小時填充推進劑，那麼唯一的辦法便是放棄鋁合金貯箱。之前SpaceX曾嘗試使用碳纖維製作貯箱，但估計是碳纖維的製造難度和造價都過高（

馬斯克接受訪談時曾表示，考慮35%的廢料率，碳纖維每千克成本200美元，而不鏽鋼則是3美元，主頁君注

），外加上BFR貯箱的體積導致現階段無法一體化生產，該方案最終被拋棄，轉了一圈後又繞回了早期火箭設計師們使用的不鏽鋼。

常用金屬最高強度和最高工作溫度

除了熱導率，鋼在耐熱及工作溫度上也要優於鋁。美國和蘇聯的超高速偵查/截擊機無法使用鋁合金的原因之一便是高速飛行時的溫度已經超過了鋁合金的最高工作溫度，鋁製機身會變軟失去強度。高速巡航的SR-71更只能使用鈦合金來製作機身，其3.2馬赫飛行時機身最高溫度（565°C）甚至超過了不鏽鋼的最高工作溫度（約300°C）。

SR-71在3.2馬赫巡航時機身不同部位溫度（華氏度）

對於BFR這個要往返於地球和火星，接受地球和火星大氣摩擦的宇宙飛船來說，雖然隔熱設計依然必不可少，但一個更耐熱的船身可以省去部分隔熱裝置的重量，這也是BFR最終選擇不鏽鋼/合金鋼而非鋁合金的原因之一。這方面的反例可以參考太空梭的軌道器，為保護不耐熱的鋁合金機身，

軌道器使用了大量造價昂貴且需要頻繁更換的隔熱瓦

，直接導致了發射價格飆漲。

再入時損壞的隔熱瓦

值得一提的是儘管在一些氣動控制翼面和船身前緣處BFR依然會使用傳統的被動式隔熱材料，非常有可能是龍飛船上已經在使用的PICA-X（

也可能是TUFROC，即增韌型單片纖維增強抗氧化複合材料，主頁君注

），但BFR飛船整體的隔熱降溫將採用已經在液體火箭發動機上部分應用的主動式蒸騰冷卻，也可叫做發汗式冷卻（Transpiration cooling）。這是一種類似人體降溫的冷卻方式，和用隔熱材料自身被動燒蝕吸收熱量降溫不同，蒸騰冷卻用冷卻劑主動吸收熱量降溫。就像人的皮膚通過發汗讓汗液蒸發吸熱降溫一樣，BFR也將「發」冷水或低溫甲烷蒸發吸熱來為船身降溫。外加上不鏽鋼的工作溫度天然高於鋁合金，BFR的主動降溫裝置也不需要降溫到鋁合金的工作溫度，徹底省去隔熱材料的重量。

蒸騰冷卻概念示意圖

更為關鍵的是BFR的隔熱設計還必須要考慮到火星較差的維修環境和匱乏的維修原材料和維修設施，雖然PICA-X在性能和重複使用上已遠優於之前的隔熱材料，但依然需要維護且若進入火星大氣時受損還需重新製作。火星沒有製作PICA-X的油和石墨，但已確認有冰且非常有可能有地下液態水，水和火星大氣中飽含的二氧化碳進行簡單的薩巴捷反應便可生產甲烷。採用主動式蒸騰冷卻的BFR只需攜帶少量碳纖維原材料，用來就地取材製作返程推進劑的裝置便可同時兼職生產冷卻劑，騰出重量給其他載荷。