跨界 · 融合 · 服務 · 創新
引 言
超重-星艦（Super Heavy-StarShip）運輸系統是SpaceX公司正在研制的重點項目，該運輸系統未來將替代SpaceX現有的法爾肯9和法爾肯重型火箭，可用于執行包括衛星發射、軌道空間站補給與維護、全球“點到點”超快速客運服務以及火星殖民等任務。
SpaceX公司預計在2021年完成首次軌道飛行，最早在2023年執行首次載人繞月飛行任務，計劃最早在2024年執行火星貨運任務，2027年執行火星載人任務。
超重-星艦系統方案和最新研制進展
超重-星艦系統方案由SpaceX公司創始人艾倫?馬斯克在2016年公布，經過幾次重大的修改，從公布之初的星際運輸系統（ITS）方案，到2017年的超重法爾肯火箭（BFR）方案，直至目前的超重-星艦方案，在不斷修改中逐漸向可實現的方向發展。
超重-星艦采用船箭一體化設計，包括超重火箭級和星艦飛船級。運載能力為100 t+。能將100人送往月球、火星或其它遙遠目的地，或是繞地球飛行。系統全長120 m，起飛質量為5 000 t，起飛推力7 400 t（約合72.52 MN），兩級均可重復使用。
（1）超重火箭級：高70 m，直徑9 m，推進劑加注量為3 300 t，設有4個柵格舵（外型由矩型改為菱形），并設4個固定尾翼兼著陸支腿。將采用猛禽液氧/甲烷發動機，但發動機數量經多次修改，目前仍在論證中。據SpaceX創始人艾倫?馬斯克透露，火箭級發動機數量可能是28臺。
（2）星艦飛船級：高50 m，直徑9 m，采用6臺猛禽液氧/甲烷發動機，推進劑加注量為1 200 t，采用雙鴨翼+雙尾翼，設6個可伸縮著陸支腿。鴨翼和尾翼均改成梯形，以提高著陸時的翼面控制效率。迎風面防熱由氣膜主動冷卻改為防熱瓦。
（3）研制進展：在超重-星艦系統的研制過程中，SpaceX遵循快速分階段驗證迭代式研制模式、驗證設計概念和方案的可行性。從項目的公布到首架星艦驗證機的建成僅僅用了3年的時間。該項目自2019年3月進入密集測試階段，截止目前已完成對多臺9 m直徑的星跳號驗證機和MK全尺寸原型機的測試，并對多架SN系列原型機進行了飛行測試。實現了原型機的150 m低空飛行和10 km級高空飛行，并在試驗中實現了軟著陸。驗證了星艦導航系統、全箭不銹鋼箭體的結構強度、新型著陸支腿以及其他一些基本功能。有力地證明了SpaceX公司采取的迭代式研制模式的有效性。
而“超重”火箭級原型機的制造工作由于受到生產能力的限制直到2020年10月才得以啟動。目前已經制造三枚原型機，分別是：超重BN-1、BN-2和BN-3，其中BN-2可能將搭載星艦SN20原型機進行軌道飛行測試。
技術特點分析
（1）采用爭議較大的全箭不銹鋼結構設計
從2016年首次方案公開到2018年底，SpaceX一直都宣稱該星際運輸系統將采用碳纖維復合材料。但在2018年末突然宣布，改用近些年并不常見的不銹鋼材料，并立即報廢了曾經用重金購買的復合材料工裝。給出的理由是從太空超低溫到重返大氣層的高溫狀態，全不銹鋼箭體的可用強度與質量比，要比碳纖維、鈦合金等航天材料表現更好，只是在常溫時不如后兩者。不同于半人馬座上面級的不銹鋼氣壓設計，超重-星艦采用軸壓設計，貯箱在不加注時仍可以保持結構完整。同時，貯箱還要反復加注泄放過冷甲烷和液氧，這都是之前業內鮮有應用的設計。最初，星艦驗證機所采用的是高質量301級不銹鋼。但在2020年6月，SpaceX利用SN7原型機貯箱進行了低溫加壓試驗，驗證了另一種不銹鋼材料（據稱與304L類似），得出結論是這種不銹鋼材料在低溫下具有更強的延展性和韌性。
（2）采用猛禽液氧/甲烷發動機
超重-星艦采用的猛禽液氧/甲烷發動機為全流量補燃循環發動機。該發動機設計推力為1 993 kN，約為法爾肯9火箭使用的隼1D發動機的2.5倍。發動機比沖330 s，主燃燒室壓力超過250 bar（25 MPa），具備高比沖、深度節流的特點。一旦投入使用，將有望成為第一款投入實用化的液氧/甲烷發動機，也是第一款全流量補燃循環發動機。根據馬斯克的說法，單臺猛禽發動機設計可執行1 000次飛行，幾乎無需維護。采用甲烷燃料具有以下優點：首先，燃燒起來比法爾肯9火箭使用的煤油更清潔，因此發動機上的焦化更少，有利于重復使用。其次，價格便宜并且可以在火星上提取，能夠滿足未來探火的需求。
（3）采用新的回收方式
超重-星艦系統為完全可重復使用運載器，其火箭級與飛船級均可回收。其中，星艦飛船級設計采用了與此前截然不同的回收方案。
當從軌道返回時，星艦不以垂直姿態進入大氣層，而是以60°傾斜的姿態及25倍音速的超高速度“躺著”進入大氣層。星艦將由四個單獨控制的襟翼精確引導下降。其中兩個為鴨翼在鼻錐上，兩個尾翼在船尾部分。根據馬斯克的說法，“在超音速狀態下產生升力，這對限制峰值加熱非常重要”。換句話說，星艦將盡可能最大限度地利用空氣制動。最終在接近地面時還將進行一次大幅機動，點燃猛禽發動機進行翻轉，最后垂直到達地面進行精確著陸。星艦的回收比法爾肯９火箭一子級的回收要困難得多，但如果SpaceX公司能做到這一點，將會是革命性的突破。
圖1 星艦著陸剖面
（4）采用防熱瓦設計
由于不銹鋼的熔點較高，新的不銹鋼超重-星艦設計與碳復合材料相比，需要的熱防護措施較少，從而彌補了鋼具有更高質量的這一缺點。飛船從低軌道返回時，表面約20％的部分將暴露在最高溫度約1 476 ℃的環境中，另外20％最高溫度至1 326 ℃，其余表面最高溫度將低于1 176 ℃，這是不銹鋼無需任何額外冷卻即可承受的溫度。再入時箭體所承受的溫度最高不超過330 ℃，發動機部分周圍的溫度不超過925 ℃，可采用被動輻射冷卻來應對。這意味著星艦的背風側不需要任何隔熱層。
而在迎風面，最初馬斯克曾設想使用雙層不銹鋼外殼+液膜冷卻來實現防熱。但最終SpaceX研發團隊還是決定采用堅固的并可重復使用的防熱瓦，從而使系統整體更輕。迎風面防熱結構將大部分由六邊形防熱瓦組成。選擇這種形狀是因為這樣“它沒有能夠讓熱流加速通過的直線路徑間隙”。
SpaceX并未透露防熱瓦所采用的材料，而根據SpaceX與NASA Ames研究中心的合作協議推測，SpaceX很可能在星艦上采用該中心所擁有的新型TUFROC防熱材料（增韌型單片纖維增強抗氧化復合材料），該材料用于美國空軍試驗航天器X-37B的翼面前緣，經過飛行驗證，且TUFROC-X可直接貼敷于不銹鋼材料，工藝上相較碳纖維結構有所簡化。
未來影響分析
目前，星艦原型機已實現10 km級的高空試飛，最早將于2021年完成軌道發射測試。雖然該時間表過于樂觀，但該系統一旦研制成功并投入使用勢必對美國航天發射項目、商業發射市場與太空環境等領域帶來重大影響。
（1）有望助力美國實現重返月球計劃，也為SLS項目帶來更大壓力
自2011年航天飛機退役以來，SpaceX公司與NASA的合作越來越緊密，在NASA發射中所占的份額也越來越大。目前，SpaceX承擔了NASA超過半數的發射，包括許多科學有效載荷，還通過了NASA的載人認證，執行國際空間站乘員輪換任務。此外，SpaceX還被NASA選中為其設計月球著陸器，參與到NASA的重返月球計劃 （阿爾忒彌斯計劃）中。如果超重-星艦系統能順利按照計劃研制成功，那么將具備100 t以上的LEO運載能力、重復使用能力及載人運輸能力，可以通過一次發射將超大型有效載荷送入軌道。這些都符合美國重返月球計劃的需求。
相比之下，美國為重返月球而開發的SLS重型火箭，自2010年開始研制，成本增加了一倍，到2020年投入已超過180億美元，到2025年將達到410億美元。SLS的研制進度也一推再推，比最初計劃的首飛時間至少要延遲3年。NASA的一份報告指責波音公司管理、技術和基礎設施問題是導致成本大幅上升和研制進度延遲的主要原因。反觀SpaceX公司，僅用5億美元就研制出了LEO運載能力達53 t的法爾肯重型火箭，并正在積極推進運載能力100 t以上的超重-星艦。而SLS初始型LEO運載能力僅為70 t，最終版LEO運載能力為130 t。此外，SLS設計僅能搭載4名宇航員，而超重-星艦宣稱可搭載100人。美國公眾紛紛建議把錢投給SpaceX，由它來完成阿爾忒彌斯計劃。因此，一旦超重-星艦的研制取得了實質性進展，很可能引起公眾對SLS項目更為強烈的詬病。
（2）拓展國際商業發射市場
作為近年來的商業航天新秀，SpaceX快速發展壯大，它的每一次進步都給國際商業航天發射格局帶來了不小的沖擊。SpaceX成立初期，火箭發射市場主要由美國聯合發射聯盟（ULA）與歐洲阿里安航天集團所壟斷，單次軌道發射的價格高達2.2億美元。SpaceX以低成本、高可靠性為發展理念，把握美國航天產業的市場化發展機遇，在2010年首次成功發射法爾肯9火箭，以約阿里安5發射報價的1/3進入商業火箭市場，一舉打破壟斷。隨后，SpaceX公司在火箭回收與復用上取得的進展，使得全球商業火箭市場呈現新業態，火箭技術快速迭代，商業發射成本大幅降低。從2008年開始，SpaceX陸續獲得NASA、美國空軍和銥星公司等的發射訂單。發射載荷也從科學實驗與驗證、NASA貨運，拓展到通信、遙感與導航衛星。2018年，法爾肯重型成功首飛，成為現役運力最強火箭，進入全球商業發射市場。根據FAA統計，SpaceX在全球商業火箭發射市場的占有率從2013年的13%，上升到2018年的52%。公司估值從2015年的101億美元上升到2020年的360億美元。SpaceX的超重-星艦定位于載人深空探索，預計發射成本低廉，一旦研制成功并投入使用將有望拓展新的國際商業發射市場領地，引領探索星際旅行市場。
（3）增加太空環境隱患
SpaceX的急速擴張也可能給太空環境帶來不利因素。具有一次性部署400顆星鏈衛星能力的超重-星艦系統在投入使用后，勢必加快太空這塊“草原”的“沙化”，增加太空碎片，加劇太空環境惡化，影響航天器進出太空和在軌運行；并且，由于衛星頻率、軌道資源緊張，促使各國對衛星頻軌資源的搶奪日益激烈。
結 語
SpaceX公司成立不到20年就建立了低成本發射體系、具備了載人能力，掌握了火箭重復使用技術，并且為了實現更大的運載能力和星際殖民的愿景，正在研制超重-星艦運輸系統。該系統的設計采用重復使用和液氧/甲烷發動機等關鍵技術。在研制中依然遵循迭代式研制模式和“像飛行一樣測試”的理念。通過對多輪的原型機測試，考核產品設計質量，考驗產品結構、性能及主要工藝。雖然此過程并非一帆風順，但從失敗中吸取經驗教訓，正在讓產品逐漸從“紙上”走向現實。而該運輸系統一旦投入使用將對美國航天發射項目、商業發射市場與太空環境等領域帶來重大影響。
