星艦：不走尋常路

火箭發(fā)射四分鐘后就炸得粉身碎骨，現(xiàn)場反而響起了一片歡呼。

火箭解體，飛船失聯(lián)，公司總裁卻發(fā)文慶祝：“在取得如此輝煌成果的一天，向整個團隊致以熱烈祝賀！”

這不是科幻電影里的橋段，而是太空探索技術公司（SpaceX）的星艦（Starship） 試飛中真實發(fā)生的場景。星艦在幾次試飛中邊飛邊炸，邊炸邊創(chuàng)造歷史，吸引了全世界的目光。今年，讓我們一起走近星艦，回顧星艦的幾次試飛，盤點星艦帶給我們的那些“炸裂”場景。

星艦是SpaceX 公司正在研制的一種完全可重復使用的天地往返運輸工具，用來將衛(wèi)星、航天器、貨物和人類運送到地球軌道、月球、火星甚至更遠的地方。

星艦由兩個部分組成：第一級“超重型”（SuperHeavy）助推器（以下簡稱超重型火箭），高約70 米，像一個力大無窮的巨人，負責提供強大的初始推力；第二級是名為“星艦”（Starship）的飛船（是的，它的名字也叫星艦，以下簡稱星艦飛船），高約50 米，能夠搭載多達100 人，是一輛奔赴星辰大海的太空穿梭巴士。

星艦，不止于大

星艦總長121 米，相當于40 層樓高，與電影中的怪獸哥斯拉一樣高大。雖然外觀苗條，但星艦的“腰圍”其實不小，直徑達9 米，需要二十幾個小朋友手拉手才能環(huán)抱。與其他大型運載火箭相比，星艦不僅是個“人高馬大”的選手，更是個力量“巨獸”，運力高達150 ～ 250 噸，是有史以來最強有力的火箭。

星艦受關注不僅僅是因為它的高大和強壯，更重要的在于它是人類航天史上第一款完全可重復使用的運載火箭。目前，絕大多數(shù)火箭和飛船都是“一次性”的，而超重型火箭和星艦飛船兩個“兄弟”都被設計為可回收和快速重復使用。

在發(fā)射過程中，超重型火箭像一位強壯的舉重冠軍，為星艦飛船提供強勁的推力，幫助它掙脫地球的引力束縛，飛向太空。當星艦飛船進入預定軌道后，超重型火箭與星艦飛船分離并返回地球，在短時間內(nèi)就可以執(zhí)行下一次飛行任務。

星艦飛船由6 臺“猛禽”（Raptor）發(fā)動機提供動力，與超重型火箭分離后，它像一輛靈活的太空巴士在宇宙繼續(xù)穿梭，將“乘客”——無論是貨物還是人類——運送到地球軌道、月球、火星，甚至更遙遠的地方。星艦飛船與其他運載火箭和航天器的設計方案完全不同，它能在其他星球上降落并再次起飛，還可以長時間在軌運行，變身為太空家園。最終任務完成后，星艦飛船能夠再入大氣層并垂直著陸，就像一只歸巢的燕子，安全返回地球，經(jīng)檢修后又快速投入下一次任務。

因此，整個星艦系統(tǒng)能在起飛后返回地球，并在短時間內(nèi)再次起飛，像飛機一樣實現(xiàn)頻繁往返。這種革命性的設計大大降低了太空發(fā)射的成本，為人類突破太空探索的界限提供了無限可能。

SpaceX 的目標是將每次星艦發(fā)射的成本降至200 萬美元甚至更低，這比現(xiàn)有的一次性火箭發(fā)射成本低了整整兩個數(shù)量級，堪稱“降維打擊”。為了達到大幅度“省錢”的目的，星艦不走尋常路，采用了許多顛覆性的設計。讓我們一起來看看，為了“省錢”，星艦到底有多拼。

外表與眾不同，實則暗藏玄機

首先，星艦那“耀眼”的外觀和其他火箭截然不同：大部分火箭都是白色的，而星艦卻像一根銀色的“光桿”。這是因為星艦箭體采用了不銹鋼作為主要材料。是的，就是和我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的保溫杯、高壓鍋用了一樣的材料！一般來說，火箭自身越重，使用相同燃料箱能挾帶到太空的貨物就越少，所以大多數(shù)火箭由重量輕的金屬制成，如鋁和鈦。相比之下，不銹鋼重了好幾倍。在同等強度的要求下，不銹鋼用料也要更多。使用它似乎有悖常理，為什么星艦要別出心裁地采用不銹鋼呢？這里面大有玄機！

重要原因之一是不銹鋼“便宜又大碗”。不銹鋼容易獲得而且價格低廉，星艦采用SpaceX 自研的30X 不銹鋼，每千克僅需4 美元。不銹鋼易于加工，受環(huán)境影響較小，可以在普通的工廠車間中焊接，能露天安裝。這些優(yōu)點大大降低了制造成本，非常適合星艦現(xiàn)階段的頻繁測試和未來的大規(guī)模生產(chǎn)。而且，星艦只需保持其自然的銀色外殼，無需像其他火箭一樣刷上白色的漆，不僅省下了漆的費用，還減輕了最少幾百千克的重量。

30X 不銹鋼出色的耐用性是它的另一大優(yōu)勢。它像一個神奇的魔法盾牌，能夠承受住太空的惡劣環(huán)境，包括高溫、低溫、極端壓力變化和輻射等，保護星艦不受損傷。例如，在發(fā)射和重返大氣層等極熱條件下，30X 不銹鋼可以承受超過1000°C 的高溫并且仍保持強度，使得星艦需要的熱防護措施較少，隔熱設計簡單，減輕了重量；而在太空中零下270°C 的極低溫下，大多數(shù)材料會變得脆弱易碎，容易出現(xiàn)裂縫或斷裂，30X 不銹鋼的強度反而會大幅上升，是室溫下強度的兩倍，且延展性依然很高，不會變脆或斷裂。所以，選擇30X 不銹鋼作為箭體材料，就像給星艦穿上了一件堅固耐用的超級英雄鎧甲，確保星艦能夠經(jīng)受住太空旅行的嚴酷考驗并安全返回地球。

“燒油”另辟蹊徑，不單為了省錢

就像汽車需要汽油來提供動力，火箭也需要“燒油”來飛行。這種“油”被稱作推進劑。在火箭發(fā)動機里，推進劑迅速燃燒，給火箭提供強大的動力。大多數(shù)運載火箭的主發(fā)動機使用的是液體推進劑，包括氧化劑和燃燒劑，這兩者通常分別被儲存在兩個獨立的罐子里。氧化劑和燃燒劑在燃燒室里混合后，會劇烈燃燒，為火箭提供強大的推力。液氧是最常用的氧化劑，很多運載火箭都用它作為氧化劑，不同的是與之搭配的燃燒劑，其中“液氧+ 煤油”“液氧+ 液氫”是應用最廣泛的組合。

星艦“燒油”不走尋常路，沒有選擇傳統(tǒng)的搭配方案，而是采用了對于火箭發(fā)動機來說并不常見的“液氧+ 甲烷”組合。甲烷，是家里煤氣灶燒飯用的天然氣的主要成分。

那么，星艦為什么另辟蹊徑，選擇“燒”甲烷呢？重要原因之一是甲烷的價格親民！甲烷主要從天然氣中提取，而天然氣不僅儲量巨大，而且已經(jīng)廣泛應用于家庭廚房，資源非常豐富。甲烷含量大于95% 的天然氣價格每千克僅需3 ～ 6 元，相比于煤油和液氫，堪稱“白菜價”。對于像哥斯拉一樣龐大的星艦來說，本需要加注數(shù)千噸推進劑，而改用甲烷后，顯然能省下“億”點點錢。

甲烷還有一大優(yōu)勢——清潔。煤油含碳量較高，燃燒后容易在發(fā)動機里留下積碳，對于一次性使用的火箭來說這不是問題，但對需要重復使用的火箭而言，回收后必須對發(fā)動機進行清洗作業(yè)，一段時間后才能重新使用。而甲烷燃燒產(chǎn)生的煙塵比煤油少得多，幾乎不會產(chǎn)生積碳，回收后的火箭只需讓殘留的燃料自然揮發(fā)即可，無需清洗，再次使用更加方便。

除了經(jīng)濟和清潔，星艦選擇“液氧+ 甲烷”還有一個重要原因，就是為未來的火星任務做準備。SpaceX 造星艦的目標是將人類送往火星，而在火星上制造甲烷比制造煤油容易得多?？茖W家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)火星上有水冰，也可能有地下液態(tài)水，其大氣主要成分是二氧化碳。通過化學反應，水和二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為甲烷。這樣，在火星上可以就地取材，自給自足地生產(chǎn)燃料，無需從地球挾帶返回的燃料，顯著降低了成本。

星艦就是這樣不走尋常路，嘗試用既經(jīng)濟又環(huán)保的方法為我們打開通往探索宇宙的大門。