马斯克是脑洞大还是执行强：水塔技术造火箭，降落火星不是梦

作者：科学声音吴京平

———————————

猛禽发动机采用了全流量分级燃烧的设计，这种设计相当高效。海平面比冲334，真空比冲361，比煤油高一点，比氢氧机低一点，总推力310吨，而且甲烷从各方面来讲都是非常适合马斯克需求的一种燃料。

但是有个疑问我们还没有回答呢，甲烷会不会积碳结焦呢？其实上个世纪80年代末，我们也是做过相关实验的，甲烷、丙烷和煤油都可以当做火箭燃料，煤油是最容易积碳的，丙烷次之，甲烷是最少的。结焦的顺序也是煤油最多，丙烷次之，甲烷最少，甲烷更不容易结焦。

图：猛禽发动机在斯坦尼斯航天中心测试预燃室

对于全流量分级燃烧的发动机来讲，富燃的预燃室产生高压燃气，吹动涡轮泵，输送燃料到火箭的燃烧室，本来就是不完全燃烧。燃料中灰分在几千度的高温下会被变成液体甚至是气体，碰到温度低的东西就会发生凝结。碰上管道之类的玩意儿，但凡温度比燃烧室低一大截，灰分就凝固在了表面上，冬天玻璃窗上的雾气和霜花也是一样的道理。积累起来就成了积碳和结焦。煤油的含碳量更高，更容易发生结焦的情况。燃料越是单纯，越容易控制，煤油的成分实在是太复杂了。

猛禽发动机的设计大量使用了电脑模拟计算，他们自己开发了相关的模拟软件，如今比特币挖矿都知道用显卡加速，他们的模拟软件自然也是用到了，这也是他们的一大特点吧。

猛禽发动机的研发计划是从2009年开始的，Spacex的一大特点就是最开始的设计方案和最终的成品之间差很大。最开始他们在氢氧发动机方面做了不少的而研究，目标也是制造一个二级火箭用的发动机，但是等到2012年正式宣布这个计划的时候，发动机变成了液氧甲烷方案。而且也成了主力发动机。

猛禽从2014年开始部件测试，分级燃烧嘛，预燃室能不能达到要求，这是可以先行测试的。猛禽发动机有40%的零部件是3D打印制造的，能够提高性能，而且能省钱，何乐而不为呢？SpaceX从来都会紧跟新技术。

图：2016年9月25日，猛禽火箭发动机在德克萨斯州McGregor测试场首次测试点火

2016年9月份就进行了完整发动机的测试工作。到了2017年9月，他们完成了1200秒的发动机测试，这是多次测试加在一起的结果，最长的一次测试是100秒。

至此，猛禽发动机是可以实用化了。但是迭代从来就没停止过，猛禽的性能也还是在一点一点的提高，如今猛禽的燃烧室室压已经超过了RD180，成了世界上室压最大的火箭燃烧室。

当时马斯克要造的是大猎鹰火箭，当时叫这个名字。这是一个直径10米量级的巨大火箭，竖起来跟航天飞机是一样高的。最开始设计了3条可伸缩的腿，这个思维方式还是延续猎鹰9号的思路。

但是到了2017年，方案就变了，不再需要3条腿了，火箭本身够胖，自己就能稳稳当当的站住，不需要那么长的腿，火箭尾巴上多了两片机翼。

到了2018年，方案又变了，尾部设计了三个机翼，品字形对称排列，每个机翼的顶端带个小着陆腿，这就等于是机翼兼任着陆支架。头部也多了两片小的机翼。

按照航天界的习惯，火箭当然是要选择又轻又结实的材料，不是铝合金就是碳纤维。我看到马斯克公布过一个巨大的燃料罐，直径12米，用的是碳纤维缠绕，他们打算用一艘大船带到海上去做测试，看看要多大压力才能把这个大罐子给涨破。我当时看着真是羡慕，人家碳纤维材料的性能真是好，美国人想买什么，别人都卖。我们想买日本人的高端碳纤维，人家封锁，气死人哦。

图：碳纤维燃料罐

但是，马斯克也指出了碳纤维的不足之处，你要在这样的大罐子里放进低温的液氧和液态甲烷，恐怕碳纤维会破裂，他们自己曾经遇到过液氧和碳纤维犯冲的情况。到底行不行，还是要不断的测试才知道。

没想到的是，就在2018年，大猎鹰火箭改名叫星舰了。材料也换了，马斯克透露这是一种非常重的金属。这种金属就是不锈钢。

我们中国的军迷对于不锈钢材料用于航空领域，那是一点都不陌生。因为在70年代，苏联发生了一件大事儿。那就是苏联战斗机飞行员别连科驾驶一架米格25战斗机叛逃到了日本。

图：别连科降落在函馆机场，还冲出了跑道

他从远东的机场起飞，飞到日本距离最近。本来他想飞到千岁军用机场。这样的话，苏联人以为他失踪了，美国人闷声发大财。结果他迷航了，降落到了函馆民用机场。这一下，新闻界都知道了。还惹出苏联和日本以及美国的外交风波。

美国一直对米格25战斗机非常重视，因为以色列人曾经发现这家伙能飞到3倍音速。美国人自己的SR71黑鸟侦察机也是能飞到3倍音速的，但是为了解决气动加热问题，不得不大量使用钛合金。93%是钛合金制造的，苏联人是不是也用了钛合金呢？美国人心里没底。他们采用的不少钛合金还是通过皮包公司拐弯儿抹角的从苏联进口的，苏联是生产钛金属的大国。他们的潜艇也是钛合金制造的。CIA的间谍甚至找到了高尔基工厂高级焊工的名单，发现其中有些人是参加了钛合金潜艇焊接的。美国人猜想，苏联人搞定了钛合金薄板焊接工艺。

图：米格25战斗机

结果美国人看到这架米格25，怎么看怎么别扭，闹了半天是不锈钢材料的。米格25浑身上下有80%是不锈钢材料的，9%是钛合金，剩下的是铝合金的。

但是，真要深入下去，美国人还是不由得赞叹苏联人的水平。人家的不锈钢是专门设计的。当初美国造3倍音速的轰炸机XB70，也采用的是合金钢。但是就因为结构设计的比较轻巧，飞行测试屡屡出问题。强度不够。苏联人设计的机体结构真是结实啊。

当时苏联人遇到了一个很严重的问题，那就是热障。米格19能飞到1.3马赫。蒙皮的温度上升到了72摄氏度。这个温度似乎还能承受。但是后来研发出了2倍音速的米格21，蒙皮的温度就上升到了107度。苏联人估算，如果飞行马赫数达到3的话，蒙皮温度就将达到300多度。可是铝合金的熔点只有400~500度，要想保持结构强度，必须低于140度。假如真的飞到3倍音速的话，铝合金早就软了。不锈钢的好处是价钱便宜量又足。在400度的高温下，它也能保持强度，所以应付三倍音速的飞行是没有问题的，而且不锈钢的焊接技术非常成熟。不像铝合金，非要用铆钉不可，钛合金的加工难度和这两个不是一个数量级，所以这也算是一个好处。

既然别连科已经把米格25的秘密公诸天下，苏联人也就不用再藏着掖着，米格25截击机索性敞开了卖，伊拉克也是有米格25的。后来美国人打下了伊拉克，曾经用M1A1主战坦克去轧过米格25的机身，发现这个东西还是真结实，居然压不坏。

图：宇宙神火箭软掉

所以苏联人和美国人都是使用过不锈钢材料的。早期美国宇宙神火箭的燃料罐也是不锈钢造的。但是为了尽量减轻重量，不锈钢外壳都和易拉罐的皮差不多。靠充气保持高压来维持火箭的强度。曾经出过一次事故，地面人员把液氧给抽出去了，结果燃料罐压力不足，软掉了，整个火箭瘫软在发射台上。

当然，这些情况马斯克都是很清楚的。他们内部也经过激烈的讨论才转向了不锈钢。一开始马斯克的团队也是倾向于碳纤维的。但是他们发现自己的进展非常缓慢，因为有一大堆问题解决不掉。碳纤维每公斤的成本是135美元，而且会产生35%的废料，有些料你裁减下去以后就没法再用了。里外里一划算，相当于200美金一公斤，而不锈钢的最大优点是足够便宜1公斤才3美元，而且生产速度非常快，毕竟不锈钢的焊接都是非常传统的技术了。

当然SpaceX用的不锈钢也不是一般的不锈钢，这些不锈钢必须在低温下还能保持足够的性能。有些钢在低温下会变脆，一敲就碎。比如说泰坦尼克号的钢板就是因为含硫量高了一点，所以在低温下就变得很脆，冰山一撞就碎掉了。这是一个非常惨痛的教训。

但是有一些含有铬和镍的不锈钢却恰恰相反，在低温下它们的强度反而有所增加，延展性仍然很好，即便是在零下165摄氏度，依然非常坚韧，也没有断裂的问题。你别忘了，液氧和液态甲烷可都是零下100多度。而且不锈钢同时可以耐受高温，两头都能兼顾。

铝合金一般来讲140~150度就不行了，偶尔可以承受到176度，但是温度达到204度的时候就可能是极限了。某些碳纤维可以耐受超过204度的温度，但是强度会降低，但是不锈钢可以承受高达815~871摄氏度的高温。

当然，星舰火箭遇到的问题和航天飞机相似，都要从外太空以非常高的速度返回大气层，航天飞机从外太空返回大气层的时候和空气摩擦会产生大量的热，为了对付摩擦产生的高温，航天飞机浑身上下挂满了陶瓷瓦。在鼻子和机翼前缘还用了碳碳复合材料。这个问题马斯克其实也会碰到，所以它的星舰火箭正对着气流方向的半个身子挂上了陶瓷瓦。背面半边儿就是光秃秃的不锈钢，因为背后的温度不高不锈钢本身也已经足够对付。

当然马斯克有可能考虑让燃料从蒙皮下面流过，这样也可以带走一部分热量。而且他还打算在蒙皮表面开非常小的小孔，靠燃料向外蒸发来带走热量。这就是所谓的发汗金属技术。火箭发动机的内部其实也是采用了这样的技术的，否则关键的零部件在3000度的高温下根本撑不住。既然这都是常用的技术，把它们拼接组合在一起好像也不意外。不过这些技术到底用没用，暂时不敢确定。目前看来，发汗金属这个方案算是放弃了，因为那些小孔要是堵了就麻烦了，还是算了吧。

说到底马斯克的星舰火箭是要重复利用的，但是他又不想让火箭变得像航天飞机那样昂贵。当然是要想尽一切办法让火箭变得能够免维护。这就是一切考虑的出发点。

最终马斯克的星舰火箭还是选用了不锈钢当做主要材料。按照他的习惯，首先要做个最简单的原型机来测试一下，这个原型机叫做星虫。他最早制造的垂直起降实验火箭不是叫蚱蜢吗？这不就是个虫子嘛。星舰的原型机叫星虫，倒是满恰当的。

这个火箭那叫一个特别，浑身上下银光闪闪，废话都是不锈钢，能不银光闪闪的吗？他请来负责不锈钢焊接的公司是个造水塔的，让美国那帮军工大厂差点把鼻子气歪了。怎么让造水塔的公司来造火箭啊？马斯克就看中人家的不锈钢焊接工艺了，你别说，星虫的直径有9米，一般的火箭真的没这么粗啊。这个又粗又胖的星虫火箭还真的就像个三条腿的水塔。不过在我看来，这家伙是个会飞的煤气罐，这才恰当嘛。

火箭嘛，都是尖头的，本来星虫也是尖头的，但是后来尖头被大风给吹瘪了。干脆就不要这个尖头了，整个火箭的头部就是燃料罐的半球形。反正只要飞150米高就算胜利，要不要那个尖头问题不大。

这个火箭安装了一台猛禽发动机，这也是猛禽发动机的首次实战。2019年的4月5号，猛禽发动机点火开车，星虫飞起1米高。这一次是系留实验。火箭被捆住，不能高飞。就算为了测试发动机和控制系统。这也叫静态点火，马斯克的老传统了。

图：“水塔”飞起来了

7月25号，星虫开始自由飞行，飞到20米高的空中悬停，然后落下来，前后不过才20秒钟时间。但是这已经是里程碑了，星虫火箭这么大的一个煤气罐是可以飞起来的，而且可控。第三次是在8月27号飞的，飞到了150米的空中，然后平移一段距离，降落在了着陆场。至此，星虫的使命胜利结束，这个巨大的煤气罐就此退休了。不过呢，它还会发挥余热，成为一个测试发动机的试验台。也有人说，这个巨大的煤气罐成了发射场存放燃料的储存罐，这倒也不浪费。

下一步是制造新的原型机，要在原来的基础上再前进一步。这一次马斯克让加州和德州的两个团队展开了竞赛。欲知后事如何，关注我，下回继续说。