【科学故事会】不锈钢也能造火箭吗
科学故事会 沈文仟 2024-07-22 18:08
火箭箭体材料大比拼
你可能早已发现，无论是卫星入轨，还是航天员飞天，都离不开一位功臣——运载火箭。
可以说，运载火箭是人类尝试摆脱地心引力、向星际空间探索发展的交通工具。
要将如此庞然大物发射上天，除了要有巨大的推动力，还得控制它的体重。火箭的体重主要来自于肚子里的燃料，但为了让火箭顺利完成任务，这些燃料可不能随意减少。于是，火箭设计师们就把目光投向了火箭的外壳——让火箭外壳变薄，为火箭减重。
想要拥有轻薄的外壳，材料的选择是首要任务。
在众多材料的选拔中，选手“铝合金”首先脱颖而出。因为它不仅重量轻，而且强度高、耐腐蚀，资源丰富，价格适中，综合性能优秀。
铝合金长啥样？在我们的衣食住行中，手机的外壳、饮料易拉罐的罐身、房屋的窗框、汽车的车身等，都有铝合金的身影。在航空航天领域中，铝合金更是常常被打造成“薄如蝉翼”的外衣，给火箭穿上。
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尽管如此，火箭设计师们依旧在寻找更轻薄的材料，那就是选手“碳纤维”。这是一种先进的复合材料，重量极轻，可惜用碳纤维造火箭，不但制造工艺更复杂，而且要花更多的钱，并不适合大规模使用。
不锈钢竟成“黑马”？
第三位选手着实让人意想不到，那就是不锈钢。你没看错，就是家里那种高压锅、保温杯、餐具等使用的材料。原本火箭设计师们并没把它考虑在内，因为它有个不容忽视的缺点：重。这与火箭需要减重的初衷相违背。
那为什么它会出现在比拼名单中呢？因为和其他主流箭体材料相比，它有两个非常突出的优势：耐高温低温、极其便宜。火箭进入大气层时，要面对超高温，而不锈钢比目前任何主流箭体材料都要耐高温；进入太空后，面对的更多是极寒环境，而不锈钢在低温下的强度竟能提高50%。
作为空天之间的交通工具，如何使火箭能够有来有往，重复使用，也是火箭设计师们正在思考的问题。抛开重量不说，廉价的不锈钢能在冰火两重天中自如往返，的确在火箭重复使用上具备明显优势。
只是，不锈钢的重量问题，该怎么解决呢？
大力出奇迹
想要推动重物上天，推动力得强劲。从原理上来讲，火箭能够上天，得益于发动机中携带的推进剂发生反应，产生高速喷射的热气流进行推进。这就意味着，如果想要采用不锈钢造火箭，那么发动机必须足够优秀。
这一点，在国外的大型运载火箭中已得到验证——“星舰”中的“猛禽2”发动机，个子虽小，但推力十足，弥补了不锈钢在重量上带来的损失。
“猛禽2”发动机使用液态甲烷和液态氧气作为燃料，是可重复使用的一款发动机，具有高效率、高推力和高比冲的特点。多台发动机一起发力，事半功倍。
“朱雀”飞天在即
2024年1月19日，一枚带着三只“脚”的不锈钢“大柱子”，出现在酒泉卫星发射中心，点火升空，成功发射。在飞行至350米左右的高度后，它又成功返回着陆，完成了一次大型垂直起降飞行试验。
这枚不锈钢“大柱子”，就是朱雀三号火箭的首枚试验箭。它圆满完成飞试任务，为朱雀三号实现2025年“首飞”奠定了重要技术基础。
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△朱雀三号图源：蓝箭航天
朱雀三号是谁？它就是我国首款不锈钢运载火箭，配备有液氧甲烷发动机。
2024年4月15日，朱雀三号顺利完成“十公里级飞行”改造和总装工作，将全面转入最后的总测和出厂阶段。
我们期待着这枚“朱雀”飞天，助推中国商业航天跨进大运力、可重复、低成本的卫星互联网时代。
小知识
☆星舰：是美国一家企业研发的大型运载火箭系统，采用船箭一体化设计，包括超重火箭级和星舰飞船级，计划用于载人登月，甚至是火星移民，从而解决人类面临的环境和能源问题。
☆甲烷：我们家中使用的天然气的主要成分，便是甲烷。它无色、无毒、可燃。
☆比冲：是衡量火箭发动机特性的重要参数，比冲越高，火箭获得的总动力就越大，最终的速度就越快，射程就越远。
