SpaceX 公司“超重-星艦”運輸系統(tǒng)方案分析

焉寧 胡冬生 郝宇星（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展部）

近年來，美國太空探索技術公司（SpaceX）首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）提出的“超重-星艦”（Super Heavy Starship）運輸系統(tǒng)方案，可實現(xiàn)兩級完全重復使用，引發(fā)業(yè)界廣泛關注。該系統(tǒng)主要執(zhí)行未來月球探測及火星移民任務，還可應用于超大規(guī)模衛(wèi)星星座、大型航天器部署等，另外還具備地球表面“點到點”人員運輸?shù)臐摿Α?/p>

1 發(fā)展歷程概述

2016 年9 月，SpaceX 公司正式對外公布了“星際運輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準人類殖民火星以及星際探索。隨后持續(xù)進行快速迭代，每年均進行一定程度的方案調整，逐漸演化成“超重-星艦”運輸系統(tǒng)。2020 年3 月，SpaceX 公司正式發(fā)布“星艦”用戶手冊，描述該運輸系統(tǒng)可實現(xiàn)兩級完全重復使用，由“超重火箭”（推進級）和“星艦”（飛船）組成，旨在滿足地球軌道以及月球、火星等運輸任務需求。其中，“星艦”分為載人版和不載人版兩種構型，不載人版有能力將衛(wèi)星、大型天文臺、貨物、加油貯箱及其他資產運送到所需軌道。2020 年4 月，SpaceX 公司基于“星艦”改進的登月方案入選美國國家航空航天局（NASA）選定的三項載人登月著陸器方案之列，說明SpaceX 公司的方案在一定程度上獲得了NASA 的認可。2020 年5 月，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）商業(yè)太空運輸辦公室頒發(fā)給SpaceX公司為期2 年的發(fā)射許可證，允許從博卡奇卡基地（Boca Chica）執(zhí)行亞軌道飛行發(fā)射，這是從政府層面給予“星艦”的有力支持。

2016-2020 年“超重-星艦”的主要變化

從2018 年開始，SpaceX 公司先后研制了3 個系列的試驗樣機并持續(xù)開展試飛工作，包括試飛樣機“星艦跳蟲”（StarHopper）、全尺寸原型樣機Mk系列和SN 系列，不斷改進生產工藝，并測試提升“猛禽”發(fā)動機性能。在2020 年5 月“載人龍”（Crew Dragon）飛船成功將2 名美國航天員送入“國際空間站”之后，馬斯克號召SpaceX 公司員工將主要精力放在“星艦”的研制上，并計劃2020 年底進行全尺寸原型“星艦”首次軌道級試飛。

2 總體方案及任務分析

總體方案

SpaceX 公司“超重-星艦”采用兩級構型方案，火箭全長約120m，箭體直徑9m，起飛質量5000t，低地球軌道（LEO）運載能力超過100t。一級“超重”安裝31 臺“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動機，二級“星艦”安裝6 臺“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動機，其中包括3 臺海平面版和3 臺真空版發(fā)動機，液氧/甲烷推進劑均采用過冷加注方式。

原型“星艦”測試情況（截至2020 年5 月）

其完全重復使用情況下LEO 運載能力初期僅能達到100t，但隨著技術改進和升級，未來運載能力將提升到125 ～150t。如果不考慮重復使用，其LEO運載能力將超過200t。

任務剖面概述

“超重-星艦”的典型任務剖面如下：

1）載人版“超重-星艦”點火起飛，“超重”飛行結束后與載人版“星艦”分離，“超重”返回到發(fā)射點軟著陸，實現(xiàn)可重復使用?！靶桥灐秉c火繼續(xù)推進進入LEO 軌道，等待加注。

2）發(fā)射加注版“超重-星艦”，同樣分離后“超重”返回發(fā)射點，加注版“星艦”進入LEO 軌道后與載人版“星艦”尾部對接，并實現(xiàn)液氧/甲烷的在軌加注，隨后加注版“星艦”返回地球。

3）經過多次在軌加注后，裝滿推進劑的載人版“星艦”點火進入地火轉移軌道，它將利用太陽能電池產生的能量維持飛船正常運行。

4）到達火星后，“星艦”采用氣動捕獲方式直接再入火星大氣，并利用發(fā)動機推力進行最終減速，實現(xiàn)在火星表面軟著陸。

5）在經過火星原位資源利用后，裝滿推進劑的載人版“星艦”起飛，并通過火地轉移軌道直接返回地球。

6）“星艦”以第二宇宙速度再入地球，經過氣動減速后，軟著陸完成載人或載貨運輸，從而實現(xiàn)兩級完全可重復使用。

火星運輸系統(tǒng)架構圖

與其他的載人任務模式相比有很大不同，需要先把“星艦”飛船發(fā)射入軌，等待多次在軌加注。由于在LEO軌道每次加注量多少與加注次數(shù)密切相關，根據(jù)總體參數(shù)計算分析，實現(xiàn)滿加注狀態(tài)約需6 ～10次在軌加注。因此，需要在短時間內進行多次復雜的發(fā)射、交會對接和加注操作，且這些操作必須全都連續(xù)取得成功，這就對整個發(fā)射系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。

任務分析

參照2017 年馬斯克公布的在軌加注方案，并根據(jù)2019 年公布的總體方案和總體參數(shù)可推測出其在軌加注次數(shù)以及可提供的速度增量。加注滿的“星艦”如果攜帶50 ～100t 有效載荷，能提供的速度增量約為6 ～7km/s，理論上可以實現(xiàn)90 天左右到達火星。由于其初期并不需要返回地球，因此僅考慮單程的燃料，規(guī)模得到大大縮減，且任務規(guī)劃時可以不受停留時間和返回窗口的限制。遠期采用原位資源利用技術，可以在火星表面生產返程所用的推進劑，并可攜帶50t 有效載荷返回地球。

加注滿的“星艦”如果攜帶100t 的有效載荷，可以完成繞月再返回任務。由于月面軟著陸無法利用氣動減速，僅可依靠發(fā)動機反推進行減速。因此如果不返回地球，可去掉氣動舵，降低結構質量。加注滿的“星艦”可實現(xiàn)月面軟著陸，但剩余推進劑不足以返回地球。因此，對于月面軟著陸再返回地球的任務，需要在返回地球前再次進行加注。

3 方案特點分析

“超重-星艦”的技術方案和研制流程與傳統(tǒng)航天運輸系統(tǒng)研發(fā)過程相比有很多獨特之處，具體如下：

（1）采用兩級完全重復使用方案實現(xiàn)載人月球探測和火星殖民

SpaceX 公司旨在打造人類歷史上第一個能夠完全重復使用的重型運載火箭。雖然獵鷹- 9（Falcon - 9）可以回收一級火箭，但二級火箭回收仍存在較大難題。“超重-星艦”將做到除推進劑以外真正的“零消耗”，具備完全重復使用能力。且其僅采用兩級方案，就能實現(xiàn)載人月球探測、火星殖民等復雜任務，同時取消了傳統(tǒng)意義的整流罩分離，改用一體化載荷艙蓋，顯著降低了分離失敗的風險，也有效節(jié)約了成本。

SpaceX 公司公布的月球探測任務示意圖

（2）通用化多任務適應性，打造航班化運輸系統(tǒng)

“星艦”分為載人版和貨運版，具有多任務適應性，可滿足大規(guī)模發(fā)射入軌、空間站補給、載人月球探測、火星殖民、全球一小時抵達等。利用其大規(guī)模進出空間的優(yōu)勢，可實現(xiàn)航班化“拼車”，定期發(fā)射，從而開創(chuàng)運輸新模式。

一次上行能力至少可達100t，返回能力50t，可實現(xiàn)大規(guī)模有效載荷釋放和回收，開創(chuàng)在軌服務新模式。載人月球探測、火星殖民任務單次可運送約100人左右，相比過去載人任務最多一次7 ～8 人，載客量大幅提升。僅需經過快速檢測和推進劑補加就可在短時間內再次發(fā)射，實現(xiàn)航班化運輸。

（3）通過飛行試驗快速迭代與優(yōu)化，持續(xù)提升性能

從2016 年的PPT 方案發(fā)布到2019 年現(xiàn)場發(fā)布，“星艦”正逐步從紙面走向現(xiàn)實。從最初研制到“跳蟲”試飛，再到全尺寸原型樣機地面靜態(tài)點火試車，其“猛禽”發(fā)動機經過多輪迭代，性能顯著提升，后續(xù)將不斷更新?lián)Q代，有望將比沖再提升5 ～10s。從“跳蟲”采用壁厚為12.5mm 的不銹鋼，到全尺寸原型樣機壁厚不到4mm，結構質量顯著降低，未來將進一步優(yōu)化到2mm 以內，使結構質量從200t 降到120t?！俺?星艦”全尺寸原型樣機快速迭代，從Mk 系列到SN系列，預計到SN20 系列基本完成入軌級“星艦”定型。

（4）大膽采用顛覆性理念設計與技術方案

采用無整流罩的一體化氣動外形設計，使運載和有效載荷一體化。沿用獵鷹-9 運載火箭的過冷加注方案，將液氧密度提升10%～12%，同樣體積尺寸下增大推進劑加注量，而且可以減小貯箱極限壓力設計值，因此貯箱壁厚可以變薄，從而進一步減輕結構質量。在軌加注過程利用尾部伸縮加注管對接，連接方式簡單易行，使用推力器產生過載，實現(xiàn)在軌加注，滿足載人登月、火星殖民等任務。

采用模塊化設計方案，瞄準實現(xiàn)批量化生產能力建造，通過增加重復使用次數(shù)，可大規(guī)模降低研制和發(fā)射成本，并不斷提升可靠性。采用2m 左右高度的不銹鋼圈，隨著焊接工藝的完善，不銹鋼圈越來越光滑，已順利通過強度壓力考核。全箭僅采用一型發(fā)動機，分為海平面和真空兩個狀態(tài)，顯著降低發(fā)動機研發(fā)成本和研制周期，提升可靠性。單獨配備返回著陸專用貯箱，有利于推進劑管理，并通過放置在主貯箱內部來達到推進劑蒸發(fā)量控制的效果。

全箭及貯箱采用經過低溫處理的300 系列標準不銹鋼，原因是高質量不銹鋼材料在低溫下強度會提高，且不銹鋼的熔點遠高于目前運載火箭常用的鋁合金和復合材料，對于可重復使用運載火箭，熱防護壓力大大降低。另外，不銹鋼材料成本極低，有利于運載火箭實現(xiàn)低成本，目前已采用304L 不銹鋼制造燃料貯箱，進一步提升強度系數(shù)。

4 面臨技術挑戰(zhàn)

對于實現(xiàn)宏大的火星殖民目標來說，SpaceX 公司雖然采取了眾多獨特的方法、任務模式和技術途徑，但難免引入新的技術難題，還存在許多問題需要逐一解決。

（1）運載器氣動設計及熱防護技術

“星艦”用于氣動減速的熱防護（左）和正六邊形隔熱瓦示意圖（右）

地球與火星均含有大氣，但密度有差異，氣動捕獲情況下火星進入速度約為7.5 ～8.5km/s，從火星返回地球的再入速度約為11.2 ～12.5km/s。相比于其他從環(huán)火軌道進入火星的任務模式來說，直接從地火轉移軌道進入火星大氣能夠顯著減少推進劑消耗，但同時對熱防護提出了更高的要求。

從2016 版到2019 版的“星艦”外觀可見，其氣動外形一直在調整，表明SpaceX 公司對于氣動外形的設計也在不斷迭代與優(yōu)化中，且從2018 版開始采用不銹鋼提升熱防護效果。目前僅在其迎風面加入熱防護隔熱片，可在滿足熱防護要求的情況下，有效降低結構質量。由于發(fā)動機點火后箭體會有十分劇烈的振動，隔熱片的安裝一定要既輕盈又牢固。因此，在全尺寸原型樣機測試中，表面安裝的正六邊形隔熱片將接受類似于“星艦跳蟲”一樣的測試，主要包括每片隔熱瓦的安裝方法以及抗振能力等。

（2）多約束返回著陸的制導與控制技術

“星艦”為入軌級，相比“超重”再入具有更高的飛行速度，因此更加具有挑戰(zhàn)性，需要更準確選擇再入點火時機，才有可能降落到期望位置，且再入軌跡需要綜合考慮氣動熱約束、能量約束、動壓約束、控制約束及環(huán)境因素等。除按照預先設定好的軌跡飛行之外，在偏差過大時，還需要通過多約束在線軌跡規(guī)劃完成制導與控制，以解決大范圍初始參數(shù)散布以及不確定性系統(tǒng)偏差等問題。

（3）推進劑在軌加注技術

在軌加注是顯著提升深空探測有效載荷規(guī)模的有效手段之一?？赏ㄟ^連通管路將推進劑由加注飛行器輸送到目標飛行器貯箱，但由于處于在軌微重力環(huán)境下，推進劑傳輸與在地面環(huán)境下有很大不同，而且當加注低溫推進劑時，還需要考慮蒸發(fā)量控制以及連通管路熱控等問題，因此技術挑戰(zhàn)巨大。SpaceX 公司擬采用推力器施加過載的方式，有利于推進劑沉底和加注過程實施。對于多次在軌加注還涉及到多個發(fā)射任務的協(xié)調問題、多次交會對接問題等，這些問題都是大規(guī)模在軌加注所面臨的挑戰(zhàn)。

目前的加注模式需要加注大約6 ～10 次，即使每艘加注飛船間隔1 天發(fā)射，載人版飛船在軌等待時間也需要1 周左右，且必須保證每一次加注都成功。除非任務模式有所調整，才能減少人員的在軌等待時間，比如可先將一艘加注版飛船在LEO 軌道經過多次加注加滿，再一次性對載人版飛船補加，降低多次加注帶來的風險。

（4）原位資源利用技術

“星艦”再入返回地球飛行剖面圖

原位資源利用是在地外天體表面生成適合上升返回的推進劑。在火星上可以利用水和二氧化碳制備甲烷和氧，以此補充運載器的推進劑。主要涉及到資源獲取、推進劑生成、液化等關鍵技術。

地外天體原位資源利用是前提，未來將在火星上就地制造返程所用的推進劑。液氧+甲烷比液氫+液氧占用更小的貯箱尺寸，燃料成本更低，方便復用，同時易于在火星上生產，并且與煤油一樣可以在軌加注和轉移，一旦實現(xiàn)工程應用，將加快火星殖民目標的實現(xiàn)。

5 未來發(fā)展預測

近期可具備大規(guī)模發(fā)射入軌能力

對照馬斯克給出的時間表，其進度雖有延后，但仍在穩(wěn)步推進，已成功開展星艦- SN5 低空試飛，而后續(xù)星艦-SN 全尺寸樣機將實現(xiàn)高空飛行甚至是入軌級飛行。目前，“星艦”的設計方案尚不具備單級入軌能力，實現(xiàn)入軌需要助推級，得益于“獵鷹”運載火箭系列的一子級發(fā)射和回收技術的基礎，近期有望使“超重”研制成為現(xiàn)實。樂觀估計，2021 年可具備發(fā)射有效載荷入軌能力，加速“星鏈”（Starlink）部署，但此時“星艦”尚難具備再入返回能力。

中期可具備“星艦”返回地球、月球軟著陸能力

垂直起降導航、制導與控制以及軟著陸機構等方面均有“獵鷹”運載火箭的技術儲備，并且有NASA 火星探測器的軟著陸工程經驗可借鑒，但“星艦”入軌級通過氣動減速返回地球并軟著陸尚存在熱防護等眾多技術挑戰(zhàn)。為了與NASA 提出的2024年登月任務時間節(jié)點相匹配，預計5 年內可具備返回地球及月球軟著陸能力。當前大規(guī)模液氧/甲烷推進劑在軌加注技術尚未開展實質性在軌驗證，一旦投入工程應用，將使得載人月球探測、火星殖民等一系列任務未來可期。

遠期有望實現(xiàn)載人火星往返

在地外天體制備推進劑的原位資源利用技術尚在研究階段，仍未實現(xiàn)工程應用。一旦在地外天體實現(xiàn)大規(guī)模原位資源利用，將使得地-月-火之間的航班化往返運輸變得更加容易實現(xiàn)。而采用液氧/甲烷推進劑實現(xiàn)大規(guī)?；鹦侵趁?、載人飛出太陽系等概念離我們還相對遙遠。