星舰：不走寻常路
2025-03-03朱林崎
火箭发射四分钟后就炸得粉身碎骨，现场反而响起了一片欢呼。
火箭解体，飞船失联，公司总裁却发文庆祝：“在取得如此辉煌成果的一天，向整个团队致以热烈祝贺！”
这不是科幻电影里的桥段，而是太空探索技术公司（SpaceX）的星舰（Starship） 试飞中真实发生的场景。星舰在几次试飞中边飞边炸，边炸边创造历史，吸引了全世界的目光。今年，让我们一起走近星舰，回顾星舰的几次试飞，盘点星舰带给我们的那些“炸裂”场景。
星舰是SpaceX 公司正在研制的一种完全可重复使用的天地往返运输工具，用来将卫星、航天器、货物和人类运送到地球轨道、月球、火星甚至更远的地方。
星舰由两个部分组成：第一级“超重型”（SuperHeavy）助推器（以下简称超重型火箭），高约70 米，像一个力大无穷的巨人，负责提供强大的初始推力；第二级是名为“星舰”（Starship）的飞船（是的，它的名字也叫星舰，以下简称星舰飞船），高约50 米，能够搭载多达100 人，是一辆奔赴星辰大海的太空穿梭巴士。
星舰，不止于大
星舰总长121 米，相当于40 层楼高，与电影中的怪兽哥斯拉一样高大。虽然外观苗条，但星舰的“腰围”其实不小，直径达9 米，需要二十几个小朋友手拉手才能环抱。与其他大型运载火箭相比，星舰不仅是个“人高马大”的选手，更是个力量“巨兽”，运力高达150 ～ 250 吨，是有史以来最强有力的火箭。
星舰受关注不仅仅是因为它的高大和强壮，更重要的在于它是人类航天史上第一款完全可重复使用的运载火箭。目前，绝大多数火箭和飞船都是“一次性”的，而超重型火箭和星舰飞船两个“兄弟”都被设计为可回收和快速重复使用。
在发射过程中，超重型火箭像一位强壮的举重冠军，为星舰飞船提供强劲的推力，帮助它挣脱地球的引力束缚，飞向太空。当星舰飞船进入预定轨道后，超重型火箭与星舰飞船分离并返回地球，在短时间内就可以执行下一次飞行任务。
星舰飞船由6 台“猛禽”（Raptor）发动机提供动力，与超重型火箭分离后，它像一辆灵活的太空巴士在宇宙继续穿梭，将“乘客”——无论是货物还是人类——运送到地球轨道、月球、火星，甚至更遥远的地方。星舰飞船与其他运载火箭和航天器的设计方案完全不同，它能在其他星球上降落并再次起飞，还可以长时间在轨运行，变身为太空家园。最终任务完成后，星舰飞船能够再入大气层并垂直着陆，就像一只归巢的燕子，安全返回地球，经检修后又快速投入下一次任务。
因此，整个星舰系统能在起飞后返回地球，并在短时间内再次起飞，像飞机一样实现频繁往返。这种革命性的设计大大降低了太空发射的成本，为人类突破太空探索的界限提供了无限可能。
SpaceX 的目标是将每次星舰发射的成本降至200 万美元甚至更低，这比现有的一次性火箭发射成本低了整整两个数量级，堪称“降维打击”。为了达到大幅度“省钱”的目的，星舰不走寻常路，采用了许多颠覆性的设计。让我们一起来看看，为了“省钱”，星舰到底有多拼。
外表与众不同，实则暗藏玄机
首先，星舰那“耀眼”的外观和其他火箭截然不同：大部分火箭都是白色的，而星舰却像一根银色的“光杆”。这是因为星舰箭体采用了不锈钢作为主要材料。是的，就是和我们日常生活中随处可见的保温杯、高压锅用了一样的材料！一般来说，火箭自身越重，使用相同燃料箱能挟带到太空的货物就越少，所以大多数火箭由重量轻的金属制成，如铝和钛。相比之下，不锈钢重了好几倍。在同等强度的要求下，不锈钢用料也要更多。使用它似乎有悖常理，为什么星舰要别出心裁地采用不锈钢呢？这里面大有玄机！
重要原因之一是不锈钢“便宜又大碗”。不锈钢容易获得而且价格低廉，星舰采用SpaceX 自研的30X 不锈钢，每千克仅需4 美元。不锈钢易于加工，受环境影响较小，可以在普通的工厂车间中焊接，能露天安装。这些优点大大降低了制造成本，非常适合星舰现阶段的频繁测试和未来的大规模生产。而且，星舰只需保持其自然的银色外壳，无需像其他火箭一样刷上白色的漆，不仅省下了漆的费用，还减轻了最少几百千克的重量。
30X 不锈钢出色的耐用性是它的另一大优势。它像一个神奇的魔法盾牌，能够承受住太空的恶劣环境，包括高温、低温、极端压力变化和辐射等，保护星舰不受损伤。例如，在发射和重返大气层等极热条件下，30X 不锈钢可以承受超过1000°C 的高温并且仍保持强度，使得星舰需要的热防护措施较少，隔热设计简单，减轻了重量；而在太空中零下270°C 的极低温下，大多数材料会变得脆弱易碎，容易出现裂缝或断裂，30X 不锈钢的强度反而会大幅上升，是室温下强度的两倍，且延展性依然很高，不会变脆或断裂。所以，选择30X 不锈钢作为箭体材料，就像给星舰穿上了一件坚固耐用的超级英雄铠甲，确保星舰能够经受住太空旅行的严酷考验并安全返回地球。
“烧油”另辟蹊径，不单为了省钱
就像汽车需要汽油来提供动力，火箭也需要“烧油”来飞行。这种“油”被称作推进剂。在火箭发动机里，推进剂迅速燃烧，给火箭提供强大的动力。大多数运载火箭的主发动机使用的是液体推进剂，包括氧化剂和燃烧剂，这两者通常分别被储存在两个独立的罐子里。氧化剂和燃烧剂在燃烧室里混合后，会剧烈燃烧，为火箭提供强大的推力。液氧是最常用的氧化剂，很多运载火箭都用它作为氧化剂，不同的是与之搭配的燃烧剂，其中“液氧+ 煤油”“液氧+ 液氢”是应用最广泛的组合。
星舰“烧油”不走寻常路，没有选择传统的搭配方案，而是采用了对于火箭发动机来说并不常见的“液氧+ 甲烷”组合。甲烷，是家里煤气灶烧饭用的天然气的主要成分。
那么，星舰为什么另辟蹊径，选择“烧”甲烷呢？重要原因之一是甲烷的价格亲民！甲烷主要从天然气中提取，而天然气不仅储量巨大，而且已经广泛应用于家庭厨房，资源非常丰富。甲烷含量大于95% 的天然气价格每千克仅需3 ～ 6 元，相比于煤油和液氢，堪称“白菜价”。对于像哥斯拉一样庞大的星舰来说，本需要加注数千吨推进剂，而改用甲烷后，显然能省下“亿”点点钱。
甲烷还有一大优势——清洁。煤油含碳量较高，燃烧后容易在发动机里留下积碳，对于一次性使用的火箭来说这不是问题，但对需要重复使用的火箭而言，回收后必须对发动机进行清洗作业，一段时间后才能重新使用。而甲烷燃烧产生的烟尘比煤油少得多，几乎不会产生积碳，回收后的火箭只需让残留的燃料自然挥发即可，无需清洗，再次使用更加方便。
除了经济和清洁，星舰选择“液氧+ 甲烷”还有一个重要原因，就是为未来的火星任务做准备。SpaceX 造星舰的目标是将人类送往火星，而在火星上制造甲烷比制造煤油容易得多。科学家已经发现火星上有水冰，也可能有地下液态水，其大气主要成分是二氧化碳。通过化学反应，水和二氧化碳可以转化为甲烷。这样，在火星上可以就地取材，自给自足地生产燃料，无需从地球挟带返回的燃料，显著降低了成本。
星舰就是这样不走寻常路，尝试用既经济又环保的方法为我们打开通往探索宇宙的大门。
