“深空之門”環(huán)月空間站作為NASA未來10年乃至20年的旗艦級深空載人任務(wù)，近期其藍(lán)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(tǒng)航天承包商都蠢蠢欲動，意欲分而食之。

　　“深空之門”環(huán)月空間站（現(xiàn)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(wù)，近期其藍(lán)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(tǒng)航天承包商都蠢蠢欲動，意欲分而食之。但SpaceX作為風(fēng)頭最勁的航天創(chuàng)企，LOP-G中卻似乎并無份額，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(fā)動機(jī)，繼續(xù)著自己的”火星夢“。

　　如果你最近有上網(wǎng)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(jī)。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(chǎn)物。不過比外觀設(shè)計更引人注意的是，該原型機(jī)是由不銹鋼建造的，一種現(xiàn)代人絕不會和航空航天領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)的材料。那么一貫以科技創(chuàng)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，不如先考慮下為什么航空航天領(lǐng)域中很少見到鋼。

　　事實上鋁和碳纖維復(fù)合材料并非從一開始就統(tǒng)治著航空航天領(lǐng)域，蘇聯(lián)曾經(jīng)在追求高空高速性能的米格-25截?fù)魴C(jī)上大量使用不銹鋼，美國則在更夸張3.2馬赫巡航的SR-71上使用昂貴的鈦合金。由于材料技術(shù)的不足，早期火箭的貯箱大都采用不銹鋼制造，而為減輕不銹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，超薄不銹鋼貯箱的弊端在于火箭需要時刻為箱內(nèi)加壓以維持結(jié)構(gòu)強(qiáng)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，由于液氧輸送系統(tǒng)的故障，發(fā)射人員抽出了液氧導(dǎo)致貯箱被火箭自身重量壓垮，火箭上層直接倒在了發(fā)射臺上。

　　隨著材料技術(shù)的發(fā)展，鋁合金逐漸取代不銹鋼，不過并不是因為鋁的強(qiáng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，鋁打敗鋼正是因為更高的密度/強(qiáng)度比例。

　　可以看到在指數(shù)比例圖上，合金鋼(High Alloy Steels)的強(qiáng)度是高強(qiáng)度鋁(Aluminium)的1.5-2倍，但其密度至少是鋁的2.5-3倍以上。采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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還可以做的更大裝更多推進(jìn)劑。獵鷹9火箭的RP-1貯箱和液氧貯箱都采用2198鋁鋰合金制造，既然如此為何還要使用不銹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(biāo)——熱導(dǎo)率。

　　熱導(dǎo)率，簡而言之便是材料直接傳導(dǎo)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(yuǎn)高于木頭的熱導(dǎo)率，導(dǎo)致皮膚的熱量更快流失進(jìn)而給大腦判斷產(chǎn)生更冷的錯覺。

　　可以看到鋁(Aluminum)的熱導(dǎo)率是不銹鋼(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(dǎo)致和不銹鋼貯箱相比，鋁合金貯箱會更快地把外界的熱量傳導(dǎo)給推進(jìn)劑導(dǎo)致推進(jìn)劑蒸發(fā)。更糟糕的是隨著溫度降低鋁的導(dǎo)熱率會升高，也就是液氫液氧等低溫推進(jìn)劑會進(jìn)一步加快鋁合金的導(dǎo)熱能力，加速推進(jìn)劑蒸發(fā)。

　　航天飛機(jī)貯箱隔熱泡沫塑料材料

　　現(xiàn)代火箭為解決低溫推進(jìn)劑過度蒸發(fā)問題，除了設(shè)置排氣口并保持持續(xù)添加的通用方式外，大致分兩種解決手段。第一種便是以航天飛機(jī)為代表的貯箱隔熱設(shè)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。前兩次航天飛機(jī)發(fā)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，后續(xù)發(fā)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(jìn)劑加注完畢后再進(jìn)入飛船，確保安全。

　　STS-1亮眼的白色貯箱

　　同樣采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(fā)，獵鷹9整體采用白色涂裝且盡可能晚的填充推進(jìn)劑。獵鷹9火箭的第一級最晚在發(fā)射前5分20秒才填滿推進(jìn)劑，與之相比航天飛機(jī)的貯箱在發(fā)射前6小時就已經(jīng)填滿推進(jìn)劑。獵鷹9的設(shè)計雖然節(jié)省下隔熱材料大量重量，但也導(dǎo)致推進(jìn)劑加注只能在航天員進(jìn)入飛船后執(zhí)行，這種“加注-發(fā)射”（Load-Go）的方式帶來的安全風(fēng)險也是拖延NASA下發(fā)獵鷹9載人許可的原因之一。好在SpaceX通過載人龍飛船的發(fā)射臺逃生測試，諸多安全措施和安全設(shè)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(wù)發(fā)射時序，發(fā)射前38分鐘才開始加注推進(jìn)劑

　　顯然不管是隔熱泡沫還是“加注-發(fā)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(jìn)入飛船后再等上10個小時填充推進(jìn)劑，那么唯一的辦法便是放棄鋁合金貯箱。之前SpaceX曾嘗試使用碳纖維制作貯箱，但估計是碳纖維的制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，而不銹鋼則是3美元，主頁君注），外加上BFR貯箱的體積導(dǎo)致現(xiàn)階段無法一體化生產(chǎn)，該方案最終被拋棄，轉(zhuǎn)了一圈后又繞回了早期火箭設(shè)計師們使用的不銹鋼。

　　常用金屬最高強(qiáng)度和最高工作溫度

　　除了熱導(dǎo)率，鋼在耐熱及工作溫度上也要優(yōu)于鋁。美國和蘇聯(lián)的超高速偵查/截?fù)魴C(jī)無法使用鋁合金的原因之一便是高速飛行時的溫度已經(jīng)超過了鋁合金的最高工作溫度，鋁制機(jī)身會變軟失去強(qiáng)度。高速巡航的SR-71更只能使用鈦合金來制作機(jī)身，其3.2馬赫飛行時機(jī)身最高溫度（565°C）甚至超過了不銹鋼的最高工作溫度（約300°C）。

　　SR-71在3.2馬赫巡航時機(jī)身不同部位溫度（華氏度）

　　對于BFR這個要往返于地球和火星，接受地球和火星大氣摩擦的宇宙飛船來說，雖然隔熱設(shè)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最終選擇不銹鋼/合金鋼而非鋁合金的原因之一。這方面的反例可以參考航天飛機(jī)的軌道器，為保護(hù)不耐熱的鋁合金機(jī)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(dǎo)致了發(fā)射價格飆漲。

　　再入時損壞的隔熱瓦

　　值得一提的是盡管在一些氣動控制翼面和船身前緣處BFR依然會使用傳統(tǒng)的被動式隔熱材料，非常有可能是龍飛船上已經(jīng)在使用的PICA-X（也可能是TUFROC，即增韌型單片纖維增強(qiáng)抗氧化復(fù)合材料，主頁君注），但BFR飛船整體的隔熱降溫將采用已經(jīng)在液體火箭發(fā)動機(jī)上部分應(yīng)用的主動式蒸騰冷卻，也可叫做發(fā)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(fā)汗讓汗液蒸發(fā)吸熱降溫一樣，BFR也將“發(fā)”冷水或低溫甲烷蒸發(fā)吸熱來為船身降溫。外加上不銹鋼的工作溫度天然高于鋁合金，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(guān)鍵的是BFR的隔熱設(shè)計還必須要考慮到火星較差的維修環(huán)境和匱乏的維修原材料和維修設(shè)施，雖然PICA-X在性能和重復(fù)使用上已遠(yuǎn)優(yōu)于之前的隔熱材料，但依然需要維護(hù)且若進(jìn)入火星大氣時受損還需重新制作?；鹦菦]有制作PICA-X的油和石墨，但已確認(rèn)有冰且非常有可能有地下液態(tài)水，水和火星大氣中飽含的二氧化碳進(jìn)行簡單的薩巴捷反應(yīng)便可生產(chǎn)甲烷。采用主動式蒸騰冷卻的BFR只需攜帶少量碳纖維原材料，用來就地取材制作返程推進(jìn)劑的裝置便可同時兼職生產(chǎn)冷卻劑，騰出重量給其他載荷。

　　2020火星車計劃搭載的MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)便是測試火星就地取氧的裝置

　　可以說不銹鋼/合金鋼是現(xiàn)階段技術(shù)能滿足BFR諸多目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)要求的最佳也是唯一的材料。不過得克薩斯州這個亮閃閃的，都能被風(fēng)吹倒的銀色原型機(jī)只是BFR的第一步，并不具備進(jìn)入太空的能力且僅僅是為了給SpaceX測試BFR的懸停降落功能和編寫飛控軟件，BFR的建造試飛之路依然漫長。