 李明华 （中国运载火箭技术研究院，北京，100076） DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20240401 SpaceX的超重-星舰星际运输系统项目发展迅速，目前已进入轨道级试飞阶段，或将成为改变世界航天格局的又一利器。通过梳理超重-星舰系统设计迭代历程，重点总结不同阶段的主要技术变化及改进动因，分析其技术特点，并探讨了该型运载器未来的应用方向，可为中国航天运载器的发展提供启示。 超重-星舰；方案演变； 技术特点； 未来应用 超重-星舰是太空探索技术公司（SpaceX）正在研制的运载能力超百吨的重复使用运载火箭，将代替猎鹰9和猎鹰重型火箭。其技术方案经历了十余年的迭代演变，在外形、结构、动力上进行了大量调整，目前已完成4次全箭飞行试验，但仍需在细节上进行优化。 超重-星舰是迄今全球体积最大、运载能力最强的火箭系统，设备具备完全可重复能力，能够执行卫星发射、轨道空间站补给与维护、全球点到点快速货物运输、深空探测及火星殖民计划。一旦投入使用，必将对航天领域产生深远影响。 超重-星舰的方案演变经历了4个阶段，逐步从方案酝酿走向工程验证和量产，见图1。
图1 超重-星舰演变历程Fig.1 The evolution of SuperHeavy Starship SpaceX几乎从成立之初就面向火星殖民的最终目标酝酿运输系统方案，持续近10年。这一阶段SpaceX主要对关键技术进行了储备和论证，包括发动机技术、箭体材料和热防护材料等。 1.1.1 早期的大猎鹰火箭 2005年，猎鹰1火箭首飞时，SpaceX创始人埃隆·马斯克首次提出大猎鹰火箭（Big Falcon Rocket，BFR）的概念，称其能够将100 t的有效载荷发射到近地轨道［1］，但当时并未明确具体方案。 SpaceX在2009年公开猛禽发动机研制计划，但当时与超重-星舰无关，而是计划用于猎鹰重型火箭上面级的氢氧发动机。2011年，SpaceX组建小型团队负责猛禽发动机的研发，但优先级较低，进展缓慢。 1.1.2 火星殖民运输机 2012年，马斯克提出“火星殖民运输机”（Mars Colonial Transporter，MCT）概念，能够将100人或100 t的货物运送到火星［2］。MCT最初采用3个通用芯级并联的方案，每个芯级配备9台猛禽发动机。但考虑到复用状态下的性能损失，SpaceX决定采用单芯级。2015年，MCT的设计更新为高180 m、直径12 m的单芯级设计。助推级（一级）采用27台猛禽发动机，飞船级（二级）采用15台猛禽发动机，能够重复使用，近地轨道运载能力236 t。技术方案主要调整包括： a）猛禽发动机被调整为MCT主发动机，采用液氧/甲烷推进剂，并从燃气发生器循环改为分级燃烧循环。采用液氧/甲烷的原因包括：1）比冲高，最高可达到380 s；2）结合深冷技术，液态甲烷和液氧的汽化温度更接近，便于采用共底贮箱。分级燃烧循环则是以较高的复杂度换取更好的性能。 b）箭体结构从铝锂合金材料调整为碳纤维复合材料，热防护采用烧蚀材料。最初MCT箭体结构计划采用铝锂合金，可采用已经掌握的搅拌摩擦焊，具有高强度质量比。到2015年，SpaceX决定使用复合材料大幅降低结构质量，热防护系统（Thermal Protection System，TPS）计划沿用龙飞船的酚醛浸渍碳烧蚀材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA）。 c）设计之初即考虑采用在轨加注技术开发加油船，满足星际运输需求。2015年，SpaceX在MCT方案中就引入了加油船，通过发射3枚加油船到近地轨道，对火星MCT飞船级在轨加注满推进剂。 2016年，星际运输系统项目进入了设计方案迭代阶段，公司主要研制力量逐渐从猎鹰火箭转移至该项目中，每年对设计方案进行较大调整。 1.2.1 星际运输系统 2016年，SpaceX正式公布用于火星殖民的星际运输系统（Interplanetary Transportation System，ITS），见图2，延续MCT的主要技术特征，进一步明确设计参数［3］。ITS直径12 m，全长122 m，采用两级构型，重复使用状态下近地轨道运载能力最高达300 t。助推级高77.5 m，配备42台猛禽发动机，总推力128 100 kN。助推级设有4个六边形可折叠栅格舵，用于辅助姿控。ITS飞船级高49.5 m，配备3台海平面型猛禽发动机和6台真空型猛禽发动机，推力为30 890 kN。飞船级带有折叠式太阳能帆板，用于在轨运行时为系统供能，并配备3个可伸缩着陆支腿。ITS沿用了MCT的加油船方案，推进剂加注量高达2 500 t。
图2 2016版ITSFig.2 2016 version ITS 1.2.2 2017版大猎鹰火箭 2017版BFR是星舰迭代历程中规模最小的构型（见图3），直径减小至9 m，全长106 m，复用状态下近地轨道运载能力150 t，能够携带50 t载荷从轨道返回地面。助推级高58 m，起飞质量3 065 t，采用31台猛禽发动机，总推力为52 700 kN。飞船级长度缩小至48 m，增压舱体积为825 m3，起飞质量为1 185 t（不含有效载荷），配备2台海平面型猛禽发动机和4台真空型猛禽发动机［4］。本阶段碳纤维主贮箱工具已经订购，生产设施正在建设。主要技术方案调整包括：
图3 2017版BFRFig.3 2017 version BFR a）优化外形和着陆支撑机构，提升返回着陆操纵性。结构直径从12 m缩小至9 m，气动外形多处调整：栅格舵从六边形状网格结构调整为与猎鹰9栅格舵类似的长方形网格结构；飞船级尾部增加了一对三角翼，相对较小且更轻，能提供俯仰和滚转控制，以保证再入大气层时的姿态。此外，为了提高着陆稳定性，飞船级着陆支腿从3个增加到4个。 b）发动机结构紧凑度提升，高温合金技术得到突破并应用于液氧涡轮泵。猛禽发动机更轻、更紧凑，非常注重可靠性，少数部件采用3D打印，但大部分部件是机械加工的锻件，同时SpaceX为液氧涡轮泵研发了新型高温合金。 1.2.3 2018版大猎鹰火箭 2018年，BFR方案再度更新，直径保持9 m，全长增加至118 m，近地轨道运载能力为100 t。助推级增至63 m，仍然采用31台海平面型猛禽发动机。飞船级增加到55 m，增压舱容量扩大到1 100 m3，配备7台海平面型猛禽发动机［5］。主要改进包括： a）优化气动外形，采用尾翼与着陆机构一体化设计，飞船级弃用小三角尾翼方案，改用双鸭翼和三固定尾翼，尾翼同时充当着陆支撑机构。 b）初步明确再入解决方案，飞船级腹部采用PICA防热罩。 c）取消真空型猛禽发动机，全箭共用一型发动机。 1.2.4 2018版超重-星舰 2018年底，SpaceX将BFR更名为超重-星舰（SuperHeavy Starship），并将箭体结构从复合材料变更为不锈钢［6］。选择不锈钢结构的原因包括：a）价格低廉，工艺简单成熟；b）不锈钢有更高的耐热温度，可大幅降低热防护质量；c）不锈钢在室温条件下强度不及碳纤维，但在太空超低温条件下仍具备12%~18%的延展性，强度可提高50%，优于碳纤维［7］。 1.2.5 该阶段取得的技术进展 设计方案迭代阶段，猛禽发动机的研发工作已进入地面测试阶段，至2017年9月已经完成了42次试车，累计点火时长达1 200 s，单次最长达100 s。此外，SpaceX公司还完成了超大碳纤维复合材料推进剂贮箱原理样机研制。 2019年3月，项目进入样机飞行试验迭代阶段，对星跳号验证机、MK系列原型机、SN系列原型机和多个不锈钢贮箱进行了测试。其间，SpaceX根据试验结果持续对超重-星舰方案进行调整和优化。 1.3.1 2019版超重-星舰 2019年1月，马斯克宣布将箭体结构从复合材料变为不锈钢，同时将此前设计中采用的烧蚀PICA防热罩更换为主动冷却方案。 2019年9月，SpaceX正式更新超重-星舰设计方案：直径及全长不变仍为9 m和118 m，全箭结构改为不锈钢材料，起飞质量为5 000 t，起飞推力为72 569 kN，近地轨道运载能力150 t。助推级根据需要可配备24~37台猛禽发动机。飞船级配备6台猛禽发动机（3台海平面型，3台真空型）［8］。主要技术方案调整包括： a）调整星舰飞船级再入返回方案，综合采用升力式飞回和垂直起降两种路径。星舰以60°大倾角及马赫数为25的速度再入大气层，利用4个襟翼的气动力，落地前启动发动机进行翻转机动，调整为垂直姿态，减速着陆。 b）为适应着陆机动方案，调整飞船级气动外形，采用双鸭翼和双尾翼，设置6个可伸缩着陆支腿。鸭翼和尾翼均改成梯形，以提高着陆时的翼面控制效率。 c）再度变更再入热防护系统，放弃主动冷却方案，迎风面改为可重复使用的陶瓷基防热瓦。 d）姿态控制系统（Reaction Control System，RCS）由氮气冷气推力器改为挤压式液氧/甲烷热气推力器。 1.3.2 2020版超重-星舰 2020年3月，SpaceX发布《星舰用户指南1.0版》［9］，全长增至120 m，超重助推级增加至70 m，星舰飞船级为50 m，起飞质量为5 000 t，但并未明确发动机数量。在2020年8月，随着猛禽发动机在试车中创下燃烧室压力33 MPa的新纪录，马斯克称超重助推级发动机数量降至28台，中心的8台可摆动，外围的20台完全固定。不锈钢结构材料迭代更新，由301不锈钢改为304L不锈钢，用以提升低温条件下的延展性。 1.3.3 2021版超重-星舰 2021年5月，超重-星舰方案再次更新，重点在于猛禽发动机的更新换代和着陆方式的变革，并明确了发动机的数量。超重助推级发动机数量由28台增至29台，包括中心9台摆动喷管发动机和外围20台固定喷管发动机。星舰飞船级共采用6台发动机，包括中心3台摆动喷管发动机，外围配置3台真空型固定喷管发动机。主要技术方案调整包括： a）猛禽发动机升级换代，结构极大简化，见图4。第二代猛禽（猛禽V2）管路数量大幅减少，大量法兰连接结构改为焊接，预燃室控制器集成至模块化单元内，成本降至第一代猛禽（猛禽V1）的一半［10］。
图4 猛禽对比Fig.4 A comparison of Raptor b）取消分离反推系统，改为基于角动量守恒的惯性分离。一是减少分离系统硬件数量，实现结构减重；二是超重助推级分离前即开始姿态翻转，为返回点火启动做好准备。 c）着陆支撑机构从箭上转移至地面，超重助推级上不再设置着陆支撑机构，而是利用发射塔架上的机械臂（也被称为“筷子”）捕获，可大幅降低回收操作的周转时间［11］。后续，星舰飞船级也采用类似方案。 1.3.4 2022版超重-星舰 2022年2月，在接受采访时马斯克公布新版超重-星舰，其全长降至119 m，重复使用状态下近地轨道运载能力100～150 t。超重助推级缩短1 m，采用33台海平面型猛禽发动机，推力约74 530 kN。星舰飞船级采用6台猛禽发动机（3台为真空型，3台为海平面型），未来可能增加至9台。同时，提出将发射/回收塔架作为整个超重-星舰系统的“第0级”，不断优化塔架捕获回收方案［12］。 1.3.5 该阶段取得的技术进展 样机飞行试验迭代阶段，SpaceX利用大尺寸贮箱验证了新型304L不锈钢材料的性能，猛禽发动机在试车中主燃烧室压力达到330 bar。利用原型机的150 m和10 km飞行试验验证了飞行器整体空气动力学再入能力、着陆前飞行姿态控制调整、机身襟翼控制、推进剂供应贮箱转换等。在此过程中不断优化和改进设计，包括提高发动机的技术成熟度、提高不锈钢结构加工后的密封性等。 2023年4月至今，SpaceX已完成4次综合飞行测试，验证了入轨能力和两级海上精准软着陆能力，并通过全箭系统飞行试验迭代、优化和调整设计细节。同时，加强基础设施建设，在星舰基地打造新工厂，初步产能目标为每周3枚星舰飞船级。此外，为适应未来高密度发射，正在美国东海岸LC-39A工位建设新的超重-星舰发射/回收设施，未来可能还会在东海岸SLC-37/50发射。 1.4.1 2023版超重-星舰 在综合飞行测试前，SpaceX确定了超重-星舰的基本构型。采用两级构型方案，火箭全长约120 m，箭体直径9 m，起飞质量5 000 t，重复使用状态下的近地轨道运载能力为100～150 t，一次性使用状态下的近地轨道运载能力达250 t。超重助推级安装33台海平面型猛禽发动机（13台摆动喷管发动机和20台固定喷管发动机），星舰飞船级安装6台猛禽发动机，包括3台海平面型（摆动喷管）和3台真空型（固定喷管）。全箭采用不锈钢结构，飞船级设有4个襟翼，包括一对鸭翼和一对尾部气动舵面。 在综合飞行测试后，SpaceX根据试验结果对超重-星舰进行了升级改进，主要包括： a）级间分离更改为热分离，助推级顶部安装了热分离部段，也称为通风式级间段，运载能力提高约10%。 b）热防护在原陶瓷基防热瓦的基底增加了烧蚀层结构。 c）伺服机构由液压驱动改为电驱动，提高系统可靠性和执行机构效率。 1.4.2 远期规划 2024年4月，马斯克公布超重-星舰远期规划。目前开展轨道级飞行试验的构型为第一代超重-星舰（超重-星舰V1），第二代超重-星舰（超重-星舰V2）具备完全重复使用能力，箭体长度较第一代超重-星舰增加约3 m，重复使用状态下近地轨道运载能力超过100 t。通过升级改进后，第三代超重-星舰（超重-星舰V3）箭体长度将再增加20～30 m，推力增加至98 067 kN，完全重复使用状态下运载能力可达200 t，一次性使用时可达400 t［13］。 1.4.3 该阶段取得的技术进展 全箭轨道级飞行试验迭代阶段，SpaceX确定使用新型30X不锈钢材料，猛禽V3发动机在试车中主燃烧室压力达到350 bar。利用全尺寸的超重-星舰试飞箭实现了轨道级试飞，对超重-星舰的性能、地面发射支持能力及在轨推进剂加注等关键技术进行了全面的验证，试飞中达到了入轨速度并实现两级海上精准软着陆。 3 随着轨道级飞行试验的快速突破，预计超重-星舰将在1～2年内具备百吨级运载能力，且完全重复使用。同时，在持续迭代优化的进程中，其运载能力、批产规模、入轨发射频次将远超现有航天运输系统，为各类潜在的应用场景带来颠覆性的变化。 3.1 突破太阳系内大规模运输约束，拓展人类探索太空的前沿超重-星舰具备100～200 t的运载能力，未来年产规模计划达1 000发，结合多工位快速周转发射和推进剂在轨加注技术，能够支撑人类从地球出发，在太阳系内实现百吨级物资的大规模转移，构建外星基地，提升前沿探索水平。2020年至今，SpaceX已从NASA获得超过40亿美元合同，在超重-星舰基础上研制月球着陆器，实现载人重返月球，支持美国阿尔忒弥斯深空探测计划实施。SpaceX公司正在制定火星殖民计划，希望抓住每26个月1次的地火会合期，将100万人送往火星，使人类成为“多行星物种”。 3.2 增加单次和短期累积发射质量，提升利用空间的能力和水平超重-星舰百吨级的运载能力以及超一千立方米的载荷包络空间，单次即可发射部署尺寸和质量远超现有水平的载荷，将太空装备设施的规模及能力提升到新水平。NASA已研究利用超重-星舰发射超大直径太空望远镜的方案，而美国星际实验室公司也已预定超重-星舰发射其单舱段的大型空间站。在单次发射能力大幅提升的同时，快速重复使用的超重-星舰还能有效满足短期内更大规模载荷持续部署的需求，特别是预期数量数万颗的星链（Starlink）低轨星座，现役火箭几乎无法实现快速部署，SpaceX只能寄希望于超重-星舰。 3.3 支持全球点到点物资极速运输，开拓军事和商业运输新路径超重-星舰极高的载荷能力以及可返回复用的特点，允许其携带载荷经过亚轨道或轨道，降落到地球指定地点完成运输任务，以极高速度实现全球一小时抵达，而且具备运载能力强、投送距离远、不受空域限制等优势，具有广阔的军事应用前景，同时也可能成为高速商业航空运输的一种补充方式。2021年，美空军启动“火箭货运”项目，方案征集将一直持续到2027年，并在2022年1月授予SpaceX总额约1亿美元的5年期合同，验证利用超重-星舰开展全球点对点货运的技术能力。一旦实现工程应用，很可能会对作战后勤补给产生颠覆性影响，提高美军事行动效能。另外，SpaceX在2017年发布概念视频，提出超重-星舰可在40 min内把乘客从纽约送到上海，展示出未来商业应用潜力。 4.1 瞄准大规模常态化进出空间，发展重复使用重型运载火箭美国以月球/火星长期驻留、巨型低轨星座、大规模空间基础设施建设为目标，快速推动超重-星舰的研制。未来，若超重-星舰取得成功，势必凭借其完全重复使用能力和百吨级超高运载能力，颠覆航天运输模式，重塑世界航天格局，对全球政治、经济、军事和科技领域都将带来深远影响。面对预期可见的挑战和机遇，中国应以大规模常态化进出空间为目标，加快研制重复使用重型运载火箭，支撑国家在太空前沿的探索、研究和开发利用活动，打造航天强国的标志性工程。 4.2 构建快速迭代研制模式，逐步完善复杂系统的工程解决方案超重-星舰经历了数十个构型迭代和上百次试验异常，研制进度不断加速，关键在于借鉴软件敏捷开发流程的快速迭代研制模式。一是强调优先建立可行解，即“最小可行产品”，而非试图预测所有系统组件性能去直接寻求最优解。二是通过大量硬件试验充分暴露问题，释放系统潜在风险，实现系统级优化。三是不过度追求技术先进性，以成本作为重要约束条件，包括采用低成本易加工不锈钢和商业货架产品等，使快速迭代具有成本可行性。虽然重型运载火箭系统复杂度大幅增加，但中国航天数十年的积累以及材料工艺等基础能力的提升，势必能提供“拿来即用”的解决方案，或可借鉴超重-星舰的快速迭代模式，从中选择可行解再逐步优化，为航天系统工程带来新活力。 4.3 重视制造发射基础能力建设，全面推进系统级发射能力的提升未来，超重-星舰系统的发射能力不仅取决于产品本身的运载能力，还受制于批产能力、发射条件等，因此SpaceX不仅关注产品研制，还十分重视制造系统、发射回收设施的建设和优化。首先，在星基地集中布局一体化制造、试验和发射回收设施，优化周转效率，可将大尺寸箭体转运周期压缩到数小时内，实现设计—制造—测试的高度集成。其次，基于拉动式生产模式在新工厂内打造类传送带流水线，优化工位布局和工艺流程匹配，解决瓶颈，实现固定的生产节拍。最后，箭地一体化设计，将着陆支撑机构转到地面发射设施，降低结构质量、提高周转速度，并在星基地和肯尼迪航天中心建设多个发射/回收塔架。面向未来，需要以系统思维全面综合考虑火箭产品及其配套能力建设，保证航班化运输系统的构建。 超重-星舰项目从方案酝酿到轨道飞行试验，一直持续迭代演进，近期成功入轨并返回溅落海面的突破，表明其正在向实用型装备转化，未来或将产生颠覆性影响。通过梳理超重-星舰技术方案的演变，总结背后主要技术动因，阐明了方案迭代优化历程。结合对超重-星舰未来探索空间、利用空间和极速运输等方面的应用前景的分析，归纳了该项目带来的启示，中国需要从系统层面上推动大规模常态化进出空间能力的发展，优化研制模式、强化配套能力，为航天强国建设提供重要的基础保障。 参考文献 1 FOUST J. Big plans for SpaceX[EB/OL]. (2005-11-14)[2024-05-10]. https://www./article/497/1. 2 ZACH Rosenberg. SpaceX aims big with massive new rocket[EB/OL]. (2012-10-16)[2024-06-10]. https://www./space/spacex-aims-big-with-massive-new-rocket/107434.article. 3 Spaceflight101. Interplanetary transport system-spaceship & tanker[EB/OL]. (2016-12-15)[2024-06-11]. https:///spx/its-spaceship/. 4 ELON Musk. Making life multiplanetary[EB/OL]. (2017-10-16)[2024-06-13]. https://www./media/making_life_multi-planetary-2017.pdf. 5 DEVIN C. 18 new details about Elon Musk's redesigned, moon-bound BFR[EB/OL]. (2018-9-19)[2024-06-13]. https:///2018/09/19/18-new-details-about-elon-musks-redesi-gned-moon-bound-big-fing-rocket/. 6 STEPHEN S. SpaceX 2018 BFR design VS 2017 BFR design[EB/OL]. (2019-02-18)[2024-06-21]. https://www./post/spacex-2018-bfr-design-vs-2017-bfr-design. 7 ELI Shayotovich. Why SpaceX's Starship is made out of stainless stee[EB/OL]. (2022-09-23)[2024-06-25]. https://www./1022924/why-spacexs-starship-is-made-out-of-stainless-steel-accor-ding-to-elon-musk/. 8 TARIQ M. Elon Musk unveils SpaceX's new Starship plans for private trips to the moon, Mars and beyond[EB/OL]. (2019-09-19)[2024-06-25]. https://www./elon-musk-unveils-spacex-starship-2019-update.html. 9 Starship Users Guide[EB/OL]. (2020-03-30)[2024-06-15]. https://www./media/starship_users_guide_v1.pdf. 10 TREVOR S. Raptor 1 VS Raptor 2: what did SpaceX change?[EB/OL]. (2022-07-14)[2024-06-20]. https:///spacex-raptor-engine-comparison/. 11 AUSTIN DeSisto. Elon Musk's Starship update-February 2022[EB/OL]. (2022-02-11)[2024-05-25]. https:///elon-musks-starship-update-february-2022/. 12 Robert Z P. Elon Musk shows off fully-stacked SpaceX Starship as 1st orbital launch nears[EB/OL]. (2022-02-11)[2024-05-25]. https://www./elon-musk-starship-update-starbase-2022. 13 EVELYN J A. SpaceX's third version of the Raptor engine reaches a new thrust record-Starship is destined to be the world’s most powerful rocket in history![EB/OL]. (2023-05-13)[2024-06-20]. https://www./blogs/tesmanian-blog/raptor-v3. >End |
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