SpaceX星舰北京时间2023年4月20日21:33点火起飞、飞行初段正常，到了一二级分离阶段箭体开始翻滚并掉高度，地面最终启动发射终止系统让火箭自毁，发射失利。这一炸，让很多人都知道了这枚史上最大的火箭，作为一型与众不同的火箭，星舰系统除了是有史以来最高、最重的运载火箭，还是一型钢铁巨箭，全箭结构主要采用不锈钢材料，这是前所未见的。

不锈钢战胜铝合金！更适合星际航行的材料

自世界航天事业诞生至今，经过不断地选择和发展，铝、铝合金及铝基复合材料成为了运载火箭结构使用量最大的一类材料，占到火箭结构质量的85%以上。以太空探索技术集团公司（SpaceX）的“猎鹰九号”火箭为例，其质量占比最大的箭体部组件——推进剂贮箱使用的就是 2098铝合金（Al-3.5Cu-1.1Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），该材料属于肯联铝业公司伊苏瓦尔轧制厂与魁北克研发中心历时8年研发的Weldalite 铝-锂合金（Weldalite Al-Li合金）家族，其疲劳强度高，原是为美国国家航空航天局（NASA）高速民用运输机计划（HSCT）机身研发的，后用于F16战斗机机身。那么，运载火箭为什么选择铝合金？

铝合金具有密度小（不大于2.8克/立方厘米）、比强度与比刚度（比模量）大、抗腐蚀、抗疲劳、韧性好、加工成型性能优秀，是资源丰富、价格适中、对人体与环境无害、循环性能最优的工业金属，因此在国民经济各部门获得了广泛应用，已成为第二大金属，广泛应用于航空航天各领域。

为什么星舰系统不使用成熟的铝合金材料？

1、它便宜，便宜到忽略成本：马斯克的想法是用这个火箭来回的运送货物和人到月球和火星去，那这种模式就带来了一个非常关键的问题：成本控制。毕竟现在人类的火箭发射一次的成本是非常地高的，每1千克的物品带上地球轨道所需要的成本能够吓死人，同样是马斯克的猎鹰九号，它替其它国家或者公司发射卫星，开出的价码是200公斤内100万美元，超过的部分按照每公斤5千美元进行收费。

要想把这种技术普遍下来，变成普通人也可以飞上太空，那么就必须把它的成本大大地降低，所以马斯克就从火箭的材料上开始想办法了，目标就是把它的成本给降低，能多低就多低，那还有什么比不锈钢更便宜的可以用在火箭上的材料吗？大概是没了。

根据官方公布的数据：相比于其他常用的火箭材料，比如碳纤维复合材料或者铝合金，不锈钢的成本要低得多。据说市场价每公斤碳纤维复合材料约为130美元，并且有35%的报废率，而不锈钢则只有3美元。这对于SpaceX这样一个追求低成本、高效率、快速迭代的公司来说，非常重要。从130到3美元，这种成本变化是什么概念？几乎就相当于现在的成本可以忽略不计了。

如果不锈钢的材料真的可以做火箭的箭体的话，那成本确实可以降低几十倍。所以如果马斯克的目标是为了实现廉价的火箭升空的话，那么就从一开始就必须使用这一类的材料，无论后面有什么问题，因为一旦它更换成现在常见的火箭材料，那就算火箭成功了也达不到他的目的。

2、不锈钢耐高温的能力更强。火箭在发射和再入大气层时，都会遇到极高的温度和压力。碳纤维复合材料虽然轻而强，但是在高温下会失去强度甚至被破坏，需要额外加上隔热层保护。铝合金虽然也能承受一定温度，但是比起钢来说还是差了很多。

而根据公开数据看，马斯克用的这种特别的不锈钢则有着非常高的熔点和抗氧化能力，在1500摄氏度以下都不会变形，这意味着可以省掉外面的保护层了，要知道这层用不了多久的保护层本身会增加火箭很多的重量，降低载货量，同时成本也是非常高昂了，这一去掉，成本降了，载货量提升了，妥妥的赢麻了。但从目前的材料情况看，马斯克这个说法真实性有待考证，毕竟1500度还不变形，这太不不锈钢了！

3、不锈钢耐低温性更强。火箭在太空中，也会遇到极低的温度。大多数钢在温度极低的时候，非常容易断裂，但对于铬镍含量高的不锈钢却并非如此。铬镍会增加了不锈钢的强度，并提高其延展性。所以，即使在零下330华氏度，这种不锈钢会有12%到18%的延展性，非常有韧性，坚固，没有碎裂问题。甚至一些不锈钢的在低温下其强度会提高，这对于火箭的稳定性也非常强大的作用。

4、不锈钢易于制造和维修。碳纤维复合材料虽然轻而强，但是制造起来非常复杂和昂贵，需要专业的设备和工艺，而且一旦损坏就很难修复。铝合金虽然也比较容易加工，但是也需要一定的技术和设备，而且容易被氧化或腐蚀。

而不锈钢则可以用简单的焊接和切割工具就可以制造和修理，而且不需要特殊的涂层或保护措施。这对于SpaceX这样一个追求快速迭代和重复使用的公司来说，非常方便。这也是为什么这一次火箭失败了以后，马斯克说几个月后可能就能够再次发射的原因，因为它的火箭制造的难度相对而言低得多，而且成本也低得多，自然可以快速地制造新的火箭出来。

铝合金作为传统运载火箭用量最大的一种材料，其比强度、比模量等基本性能指标已经能够满足运载火箭的发射需求。但是星舰并不是一型传统火箭，其芯二级需要实现回收复用，这就需要能够抵挡不低于1200度的烧蚀温度，这对于铝合金来说是无法办到的，因为铝合金的熔点在600度上下。如果星舰箭体沿用铝合金就必须和飞船返回舱一样通体覆盖防热层或隔热瓦，这势必大大增加星舰的生产成本，如果换用不锈钢就迎刃而解。

不锈钢的熔点在1400度上下，当星舰从近地轨道返回时，迎风面产生的温度不低于1200摄氏度，不锈钢箭体基本能够抵挡。但是更大的挑战还在后面，按照规划，星舰除了用于近地轨道、洲际运输，还将用于月球以远的月球、火星探测，当星舰从深空返回地球时，其再入大气层时迎风面的温度将达到近3000度，为了抵挡高温，星舰在腹部加装了黑色隔热瓦。

在材料性能方面，相较于铝合金，不锈钢还具有比强度更大、导热率更低等优势，比强度更大有利于建造巨型火箭。导热率更低适合低温液体火箭。

火箭上的不锈钢和我们家用五金不锈钢有什么区别？

用在火箭星舰的箭体大部分的确是用不锈钢制造的，型号为304L，具体为奥托昆普的3.6mm 304L不锈钢，属于普通市售的冷轧不锈钢，每公斤售价约3美元，与我们家用食品级的304不锈钢类似。

但两者也有很大的不同，304L属于一种超低碳不锈钢，含碳量比普通的304不锈钢低很多，具体标准为≤0.03%，而我们普通的食品级不锈钢碳含量大约为0.07%。这带来两者性能巨大的区别，304L的耐腐蚀性比304好很多，在焊接或者消除应力后，也能保持优秀的抗晶间腐蚀能力，同时焊接性能也更好些。当然，一个出人意料的知识点，是304L不锈钢的强度比304甚至要弱一些。

除了304L不锈钢之外，星舰也应用了301系列不锈钢，以及SpaceX自研的30X不锈钢。特别是自己的30X不锈钢，每公斤价格只比304L贵一点，差不多是4美元，但据说在低温环境下，它的强度会大幅上升，大约会是室温的2倍，与高级碳纤维和铝锂合金差不多，因此非常适合在低温环境下进行冷加工，以及储存液氧和甲烷。

不锈钢造火箭就完美了吗？

当然不是，如果真的那么好为什么之前没人用，那是因为相对于上面的好处而言，不锈钢的问题更多，甚至很多是完全没有办法解决的。如果能成功自然这些都是优点，但前提是要能成功。

第一：不锈钢太重了。这是不锈钢最大的问题，也是许多人对SpaceX选择它感到困惑的原因。火箭越重，就需要越大的推力才能升空，就需要越多的燃料和发动机，就会增加成本和风险。据说SpaceX用不锈钢制造的星舰原型重200吨，如果用碳纤维复合材料制造，粗略估算会减到40吨。马斯克要做廉价的航天，但现在问题是虽然制造成本上去了，但是运输成本上升了，这一来一去，到底是赚了还是亏了？这真的不好说。

另外一个坏处，那就是不锈钢易于变形。虽然不锈钢有着高熔点和抗氧化能力，在高温下不会变形或损坏，但是在正常温度下，它却比较容易变形或凹陷。这可能会影响火箭的外形和气动性能，甚至导致结构失效或漏气。所以在火箭发射过程中，甚至可能因为气流的巨大变化和阻力就造成火箭表面的形变，挤压内部的零件和造成火箭气动平衡被破坏，这增加了非常大的风险。

困难这么多，马斯克打算怎么解决？

根据马斯克和SpaceX的一些公开信息，似乎它们使用了三种办法来解决不锈钢的不足之处，当然到底是不是，只有马斯克本人和公司技术人员才知道。

第一：从材料上进行改进。生活中的不锈钢都有很多种，那是因为添加了不同的元素，所以有不同的性质，所以SpaceX的第一步就是在配方上想办法，根据他们所说，他们使用了一种特殊的不锈钢合金，叫做30X。这种合金是SpaceX自己研发的，它在不锈钢的基础上添加了一些其他元素，比如镍、铬、钼、钛等，以提高其强度、韧性、耐热性和耐腐蚀性。之前就用在了发布的皮卡上面。据说30X合金的性能比普通不锈钢高出一倍以上，甚至可以和碳纤维复合材料相媲美，而且成本仍然很低。当然这个说法未必可靠。

第二：SpaceX使用了新技术来降低火箭外壳的重量和温度。这种技术是指在火箭外壳的内部，设置一层薄薄的液态甲烷或液态氧，让它们在火箭升空或再入时，通过管道流动，带走外壳表面的热量，同时也为发动机提供燃料。这样既可以减少隔热层的重量，又可以提高火箭外壳的强度和耐热性。

第三：SpaceX在火箭里面加了支撑杆，来防止火箭外壳变形或凹陷。这种技术是指在火箭外壳的内部，设置一些可以伸缩的金属杆或柱子，让它们在火箭升空或再入时，根据外部压力的变化，自动调节火箭外壳的形状和弯曲度，保持其平整和稳定。这样既可以避免火箭外壳因为温差或冲击而变形或损坏，又可以提高火箭的气动性能和安全性。

第一型钢铁巨箭！成本降低一个数量级

在性能之外，价格是星舰选择不锈钢的另一个重要因素。目前，猎鹰主体结构使用的 2098铝合金是一种较为高端的铝合金材料，与其成分接近的2198铝合金（

Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），我国相关进口材料的报价是人民币130元/千克，这个价格只能算适中，而锂含量更高的2098单位成本还要明显更高。对于要大规模量产的巨型火箭星舰而言，材料成本必须大幅压缩，星舰选择了属于第一金属——铁金属家族的不锈钢，材料单位价格降低了一个量级。以星舰使用的304L不锈钢卷为例，这是国内外市场上一型比较成熟、大量使用的不锈钢材料，其在我国国内市场的报价低至14元/千克，仅有2198铝合金的1/9。

星舰的起飞质量达到5000吨，设计较优的火箭其结构系数通常为10%左右，即箭体质量占起飞质量的10%，依此推算星舰的箭体质量为500吨左右。星舰箭体大部分由不锈钢构成，假定全部使用304L及与其接近的不锈钢材料，参考国内相关材料市场价格，星舰箭体的材料成本为700万左右（约100万美元），按照50%的材料使用率匡算，单枚星舰的材料消耗成本是1400万左右（约200万美元）。

性能和价格的双重优势，让星舰在权衡之下选择了合金钢——不锈钢，于是就诞生了世界航天史上第一型不锈钢运载火箭，其裸露材料的设计在运载火箭历史上也几乎是前所未有的。作为先行者，星舰在不锈钢应用上还有很多需要摸索的东西，基于已知探索未知是人类向前的基本步骤。只是星舰的步子迈得比较大，新技术比例过高，这使得其首飞失败是预期中的。不过，好在首飞已经完成了起飞升空并正常连续飞行。假以时日，当星舰在曲折往复中取得成功后，将证明不锈钢行，并将会引领运载火箭箭体选材的新趋势。

文章来源： 轻舟一号，李将平老师，月球飙车