慧正資訊報(bào)道，美東時間10月13日上午8時30分，SpaceX的新一代重型運(yùn)載火箭“星艦”（Starship）完成了第五次試射，其中第一級超級重型助推器成功實(shí)現(xiàn)“歷史性著陸”。在直播中可以看到，該助推器穩(wěn)穩(wěn)懸掛在兩個巨型金屬臂（俗稱“筷子”）之間。同時，星艦飛船在太空中繼續(xù)航行，隨后順利重返大氣層并在印度洋上濺落。

助推器的成功回收標(biāo)志著SpaceX在可回收火箭技術(shù)上的重要進(jìn)展，意味著未來發(fā)射將更加經(jīng)濟(jì)高效，因?yàn)槌晒厥盏闹破鲗p少新火箭的制造需求。

根據(jù)戰(zhàn)略和國際研究中心的預(yù)測，按照星艦項(xiàng)目的推進(jìn)速度，預(yù)計(jì)在2030年前后，星艦將把太空飛行的成本控制在每公斤200美元以下，這一價(jià)格遠(yuǎn)低于中國的長征系列運(yùn)載火箭和俄羅斯的安加拉運(yùn)載火箭。

值得注意的是，星艦的結(jié)構(gòu)材料選擇了廉價(jià)的不銹鋼，并拒絕涂裝，在保證性能的同時，顯著的降低了成本和復(fù)雜性，其表現(xiàn)卓越且可回收再應(yīng)用的熱防護(hù)系統(tǒng)，則更是將材料的高性能和循環(huán)使用發(fā)揮的淋漓盡致。

拒絕涂裝的廉價(jià)不銹鋼

星艦的結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度不銹鋼合金，這種材料具備出色的耐高溫和耐腐蝕性能，能夠承受極端溫度變化和環(huán)境條件，尤其是在進(jìn)入和重返大氣層時。最初，SpaceX曾考慮使用先進(jìn)的碳纖維結(jié)構(gòu)，但由于成本高昂和工藝復(fù)雜，進(jìn)展緩慢。碳纖維的成本約為每公斤135美元，且有35%的報(bào)廢率，實(shí)際成本接近每公斤200美元，而不銹鋼的成本僅為每公斤3美元。星艦?zāi)壳爸饕褂?.6毫米304L不銹鋼，取代早期的4毫米304L，直接減輕了箭體1/10的重量。這種不銹鋼由芬蘭的Outokumpu公司生產(chǎn)，位列全球不銹鋼行業(yè)前十。

不銹鋼作為鐵基合金，含有至少10.5%的鉻，鉻元素與鐵中的碳反應(yīng)，形成一層自我修復(fù)的氧化鉻膜，從而提供優(yōu)異的耐腐蝕性。除了鉻之外，不銹鋼還可能含有鎳、鉬和鈦等元素，以提高其耐蝕性、強(qiáng)度和韌性。

與碳復(fù)合材料相比，不銹鋼在設(shè)計(jì)中需要的熱防護(hù)措施較少，從而彌補(bǔ)了鋼材較高質(zhì)量的缺點(diǎn)。在再入過程中，箭體承受的溫度最高不超過330℃，發(fā)動機(jī)周圍的溫度亦不超過925℃，可以通過被動輻射冷卻來應(yīng)對。這意味著星艦的背風(fēng)側(cè)不需要任何隔熱層。

最實(shí)用的航天器熱防護(hù)材料

在迎風(fēng)面，SpaceX最終決定使用TUFROC防熱材料（增韌型單片纖維增強(qiáng)抗氧化復(fù)合材料）來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)系統(tǒng)。馬斯克曾表示，雖然鋼的強(qiáng)度重量比低溫狀態(tài)的碳纖維稍差，但在高溫下表現(xiàn)優(yōu)越。304不銹鋼的耐高溫性（常見工作溫度可達(dá)800℃）以及其高熱導(dǎo)率（常溫下為16 W/m·K），使得防熱瓦的覆蓋面積得以減少。此外，TUFROC相較于傳統(tǒng)的PICA-X材料在燒蝕減薄上表現(xiàn)更好，從而可能顯著降低防熱瓦的整體重量。

TUFROC是一種適用于2900°F（約1593℃）以上的可重復(fù)使用熱防護(hù)系統(tǒng)，單次使用溫度可達(dá)3600°F（約1982℃）。這一材料最初為NASA的X-37項(xiàng)目開發(fā)，后用于空軍的X-37B機(jī)翼前緣（WLE）。與碳/碳材料相比，TUFROC不僅具備類似的高溫能力，其制造成本也低一個數(shù)量級，且生產(chǎn)速度更快。NASA的公開材料顯示，TUFROC由RCG玻璃涂層、ROCCI帽和二氧化硅絕緣層組成，RCG玻璃涂層主要通過熱反射抵御3000°F（約1649℃）的高溫，而ROCCI帽則由碳纖維和碳氧化硅基體構(gòu)成，經(jīng)過處理后可有效控制熱膨脹。

這一技術(shù)曾獲得美國年度發(fā)明獎，星艦不僅使用了與X-37B相同的產(chǎn)品，甚至連安裝方式也進(jìn)行了原版復(fù)刻。這項(xiàng)顯著降低質(zhì)量和成本的熱防護(hù)技術(shù)，被認(rèn)為是后航天飛機(jī)時代航天器防熱技術(shù)中最具實(shí)用價(jià)值的發(fā)明之一。

總體而言，星艦在材料應(yīng)用上的創(chuàng)新將深遠(yuǎn)影響未來的航天技術(shù)和商業(yè)市場。其高強(qiáng)度合金和先進(jìn)復(fù)合材料的使用，不僅推動了航天器設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)進(jìn)步，還提升了可重復(fù)使用性，降低了整體發(fā)射成本。這一模式為其他航天器的可重復(fù)使用發(fā)展提供了寶貴的范例，支持人類深入太空探索，促進(jìn)了商業(yè)航天市場的競爭與創(chuàng)新。此外，星艦所采用的新材料和焊接技術(shù)將激發(fā)材料科學(xué)的研究，推動新型材料的發(fā)明與應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)了環(huán)境可持續(xù)性，從而引導(dǎo)航天工業(yè)朝向更環(huán)保的方向發(fā)展。這些變化將為人類未來的宇宙探索奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。