不锈钢战胜铝合金！更适合星际航行的材料

星舰系统的首次飞行虽然没有达到完成飞行的最高目标，但成功离开地面并达到了39公里的最高高度，已经算是成功了。 毕竟这是一款开创了很多先例的开创性产品，开发难度可想而知。 并且知道。 作为一种独特的火箭类型，星舰系统不仅是历史上最高、最重的运载火箭，而且还是一支巨大的钢箭。 整个箭头结构主要由不锈钢制成，这是前所未有的。

不锈钢击败铝合金！更适合星际航行的材料

世界航空航天工业诞生以来，经过不断的选材和开发，铝、铝合金及铝基复合材料已成为运载火箭结构中最常用的材料，占火箭结构质量的85%以上。 以 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭为例。 质量比重最大的火箭体部件推进剂箱采用2098铝合金（Al-3.5Cu-1.1Li -0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr），这种材料属于Weldalite铝锂合金（Weldalite Al -Li 合金）系列由 Constellium Aluminium 的 Isoval 轧制工厂和魁北克研发中心历经 8 年多的时间开发而成。 它具有高强度，最初是为美国国家航空航天局（NASA）高速民用运输计划（HSCT）机身开发的，后来用于F16战斗机机身。 那么，运载火箭为何选择铝合金呢？

铝合金密度低（不大于2.8克/立方厘米），比强度和比刚度（比模量）大，耐腐蚀，耐疲劳，韧性好，加工成型性能优良。 它资源丰富、价格实惠、对人体安全。 它是一种对环境无害且具有最佳回收性能的工业金属。 因此，它被广泛应用于国民经济的各个部门。 它已成为第二大金属，广泛应用于航空航天各个领域。 那么，星舰系统为何不采用成熟的铝合金材料呢？

运载火箭使用某种材料首先要确定材料性能是否满足需要，其次价格是否合适。 铝合金是传统运载火箭中应用最广泛的材料，其比强度、比模量等基本性能指标已经可以满足运载火箭的发射需求。 然而，Starship并不是传统的火箭。 其核心二级需要回收再利用，这就要求它能够承受不低于1200度的烧蚀温度。 这对于铝合金来说是不可能的，因为铝合金的熔点在600度左右。 如果星舰火箭体继续使用铝合金，则必须像航天器返回舱一样覆盖耐热层或隔热瓦。 这必然会大大增加星舰的生产成本。 如果用不锈钢的话就很容易解决。

不锈钢的熔点在1400度左右。 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，不锈钢火箭体基本可以承受。 但更大的挑战还在后面。 根据计划，星舰除了用于近地轨道和洲际运输外，还将用于月球和月球以外的火星探索。 当星舰从深空返回地球时，其重新进入大气层时，迎风面的温度将达到近3000度。 为了承受高温，星舰在腹部安装了黑色隔热瓦。

在材料性能方面，与铝合金相比，不锈钢还具有比强度更大、导热系数更低的优点。 更大的比强度有利于巨型火箭的建造。 较低的热导率适用于低温液体火箭。

第一款巨型钢箭！成本降低一个数量级

除了性能之外，价格是星际飞船选择不锈钢的另一个重要因素。 目前猎鹰主体结构采用的2098铝合金是比较高端的铝合金材料。 成分相似的2198铝合金（Al-3.2Cu-0.9Li-0.4Mg-0.4Ag-0.1Zr）是从我国进口的。 该材料报价为130元/公斤，仅适中，锂含量较高的2098单位成本明显偏高。 巨型火箭星舰想要量产，必须大幅降低材料成本。 星舰选择了不锈钢，属于第一金属——铁金属家族，材料的单价降低了一个数量级。 以Starship使用的304L不锈钢卷板为例。 这是国内外市场上比较成熟、应用广泛的不锈钢材料。 其在我国国内市场的价格低至14元/公斤，仅为2198铝合金的1/1。 9.

星舰的起飞质量达到5000吨。 设计较好的火箭结构系数通常在10%左右，即火箭本体质量占起飞质量的10%。 据此推算出星舰火箭本体的质量约为500吨。 星舰火箭体大部分由不锈钢制成。 假设全部采用304L以及与其接近的不锈钢材料，参考国内相关材料的市场价格，星舰火箭本体的材料成本约为700万（约合100万美元）。 按照50%的材料使用率计算，单艘星舰的材料消耗成本约为1400万（约合200万美元）。

性能与价格的双重优势，使得Starship在权衡之下选择了合金钢-不锈钢。 由此，世界航天史上第一艘不锈钢运载火箭诞生了。 其裸露材料的设计在运载火箭历史上几乎是前所未有的。 的。 作为先行者，Starship在不锈钢的应用上还有很多值得探索的地方。 在已知的基础上探索未知，是人类前进的基本步骤。 只是星舰迈出了比较大的一步，新技术占比过高，这使得它首飞的失败在意料之中。 不过，幸运的是，首架航班已经完成起飞，继续正常飞行。 假以时日，当星舰一波三折取得成功，将证明不锈钢是成功的，并将引领运载火箭机身材料选用的新潮流。