“超重-星艦”火星殖民有戲嗎？

文/ 劉博 吳昊

▲ 箭體總裝完成的SN5 和SN6 星船樣機(jī)

▲ 猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)海平面型（左）和真空型（右）

2020 年，美國(guó)太空探索技術(shù)公司在不斷加快“超重-星艦”運(yùn)載器的研制迭代和試驗(yàn)步伐，成功利用代號(hào)為SN5 和SN6 的兩臺(tái)“星艦”全尺寸樣機(jī)進(jìn)行了兩次150 米低空起降飛行試驗(yàn)，還正式啟動(dòng)了“超重”的研制工作。這意味著曾經(jīng)看似“瘋狂且不切實(shí)際”的“超重-星艦”已不再是馬斯克PPT里的展示品，也不是2019 年露天制造的外表坑洼的鐵皮罐頭，入軌試驗(yàn)已不再遙遙無期，載人探火甚至殖民火星的目標(biāo)也又更近了一步。

新商業(yè)航天時(shí)代來臨

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，美國(guó)在航天預(yù)算相對(duì)緊縮的形勢(shì)下，為減少政府開支、提高技術(shù)發(fā)展效益，大力推動(dòng)商業(yè)航天發(fā)展，2010 年《國(guó)家航天政策》提出利用商業(yè)航天產(chǎn)品和服務(wù)滿足政府需求，促進(jìn)政府采購(gòu)商業(yè)服務(wù)；2013 年《國(guó)家航天運(yùn)輸政策》倡導(dǎo)政府與商業(yè)企業(yè)合作，發(fā)展近地軌道商業(yè)航天運(yùn)輸能力；通過出臺(tái)《航天現(xiàn)代投資法》《商業(yè)航天法》《商業(yè)航天發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)力法》等一系列配套政策，為航天發(fā)射產(chǎn)業(yè)提供越來越完善的政策土壤。在此背景下，成立于2002 年的太空探索技術(shù)公司得以通過美國(guó)宇航局“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃”獲得資金、技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施等全方位支持，而快速發(fā)展壯大，成功研制并發(fā)射獵鷹9 運(yùn)載火箭及貨運(yùn)“龍”飛船，并以降低發(fā)射成本為目標(biāo)攻關(guān)運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)。2016年，隨著太空探索技術(shù)公司運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)逐漸取得突破，該公司提出低成本重型可重復(fù)使用運(yùn)載器研制計(jì)劃以及火星殖民遠(yuǎn)期愿景。

▲ “超重-星船”概念圖

很馬斯克的“超重-星艦”方案設(shè)想

“超重-星艦”為兩級(jí)構(gòu)型運(yùn)載器，火箭和飛船各占一級(jí)，總高120 米，起飛質(zhì)量5000 噸，近地軌道運(yùn)載能力100 噸，可從陸地發(fā)射場(chǎng)或海上發(fā)射平臺(tái)發(fā)射，兩級(jí)均具備基于“獵鷹9”第一級(jí)發(fā)展而來的垂直起降重復(fù)使用能力。運(yùn)載器的第一級(jí)命名為“超重”火箭，高70 米、直徑9 米，安裝31 臺(tái)“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛總推力達(dá)62000 千牛；箭體結(jié)構(gòu)全部采用高強(qiáng)度輕質(zhì)不銹鋼材料，上部外側(cè)裝有4 個(gè)菱形柵格舵，發(fā)射時(shí)處于收攏狀態(tài)，回收時(shí)展開用于控制箭體姿態(tài)，下部外側(cè)裝有六個(gè)翼型支腳，用于回收時(shí)進(jìn)行氣動(dòng)控制及著陸時(shí)支撐箭體。

運(yùn)載器的第二級(jí)命名為“星艦”飛船，融合了火箭上面級(jí)與飛船功能，包括載人型和載貨型兩種，高50 米、直徑9 米，安裝6 臺(tái)“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力12000 千牛。載人型最多可乘坐100 人；載貨型的載荷艙容積1100 立方米，可發(fā)射最大載荷質(zhì)量100 噸，可裝載各類衛(wèi)星、大型空間設(shè)施及空間站貨物。“星艦”結(jié)構(gòu)也采用不銹鋼材料，上部外側(cè)裝有兩個(gè)鴨翼，下部外側(cè)裝有兩個(gè)尾翼、內(nèi)側(cè)裝有6 個(gè)可展開支腳，上下氣動(dòng)翼用于在大氣飛行中進(jìn)行箭體氣動(dòng)控制和姿態(tài)調(diào)節(jié)，可展開支腳用于著陸時(shí)支撐箭體。

▲ “星船”全尺寸樣機(jī)實(shí)物圖（左）

所有設(shè)計(jì)都是為了低成本、可復(fù)用

“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)?！俺?星艦”的“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氧/甲烷推進(jìn)劑，此類推進(jìn)劑具備無毒無污染、成本低廉的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)用后維護(hù)方便、便于多次重復(fù)使用，且火星上存在大量二氧化碳資源、便于原位開采制備甲烷；采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)，擁有雙泵和雙預(yù)燃室，燃燒室壓強(qiáng)高達(dá)30 兆帕，發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到2000 千牛，真空和海平面比沖分別達(dá)到380 秒和330 秒；具備一定節(jié)流能力，可在火箭發(fā)射中調(diào)整推力降低氣動(dòng)載荷，并滿足火箭回收降落的減速需求。

304 不銹鋼箭體?！俺?星艦”的貯箱和箭體結(jié)構(gòu)均采用304L 不銹鋼材料，其成本低廉，每千克價(jià)格僅3美元，遠(yuǎn)低于每千克200 美元的碳纖維材料。不銹鋼在低溫時(shí)強(qiáng)度高，比強(qiáng)度可達(dá)到甚至高于鋁鋰合金，且熔點(diǎn)高達(dá)1480 攝氏度，是鋁鋰合金熔點(diǎn)的兩倍以上，從而保證箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并使箭體具備良好的熱防護(hù)能力?；诓讳P鋼材料特性研制的特殊發(fā)汗冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)，可使箭體無需大面積粘貼額外的熱防護(hù)材料，降低運(yùn)載器干重的同時(shí)還進(jìn)一步提升了復(fù)用便捷度。

與“獵鷹9”一脈相承的研制理念

太空探索技術(shù)公司于2016 年首次提出“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”設(shè)計(jì)方案，研發(fā)預(yù)算超過100 億美元；2017 年，因“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”方案過于超前、研制難度過大，提出了“超重獵鷹火箭-超重獵鷹飛船”，將運(yùn)載器尺寸縮小，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量和運(yùn)載能力也隨之減少；2018年，提出“超重-星艦”，對(duì)運(yùn)載器設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化，箭體長(zhǎng)度加長(zhǎng)，箭體材料由碳纖維復(fù)合材料改為不銹鋼，研發(fā)預(yù)算也降至20 億～30 億美元，此后正式進(jìn)入研制階段。

太空探索技術(shù)公司采取類似“獵鷹9”一子級(jí)重復(fù)使用技術(shù)攻關(guān)途徑，先研制演示驗(yàn)證機(jī)再轉(zhuǎn)入樣機(jī)研制。2018 年9 月開始研制直徑9 米、高39米、裝有1 臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的“星蟲”演示驗(yàn)證機(jī)，并在2019 年4 月～8 月進(jìn)行了3 次點(diǎn)火飛行試驗(yàn)，最大起飛高度達(dá)到150 米，驗(yàn)證了“星蟲”的懸停性能、“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量控制和姿態(tài)噴管控制能力以及其他子系統(tǒng)性能。2019 年11 月開始對(duì)裝有1臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的“星艦”全尺寸樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，通過在得克薩斯州和佛羅里達(dá)州的兩個(gè)生產(chǎn)基地并行制造的方式提高研制和試驗(yàn)效率，并進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代；制造了不同功能的樣機(jī)，分別開展了貯箱加壓、低溫推進(jìn)劑加注和發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)，部分試驗(yàn)為極限破壞性試驗(yàn)。

2020 年8 月和9 月，第5 臺(tái)和第6 臺(tái)編號(hào)分別為SN5、SN6 的樣機(jī)成功實(shí)現(xiàn)低空起降飛行試驗(yàn)，最大飛行高度均達(dá)150 米，進(jìn)行了空中懸停、推力矢量控制、反推軟著陸等主要操作，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)、材料及“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)的性能水平。代號(hào)SN8 的“星艦”全尺寸樣機(jī)，安裝了3 臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，還會(huì)加裝氣動(dòng)翼、鼻錐等組件，進(jìn)行了12.5 千米的起降飛行試驗(yàn)，后續(xù)還將會(huì)把高度提升至100千米的亞軌道，不斷迭代各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升技術(shù)成熟度。

此外，太空探索技術(shù)公司還在2020 年5 月獲得美國(guó)宇航局1.35 億美元的載人月球著陸器概念研究和初始研發(fā)合同，研發(fā)專用于登月的“超重-星艦載人著陸系統(tǒng)”。該系統(tǒng)與普通“超重-星艦”的差異在于其“星艦”取消了鴨翼、尾翼和熱防護(hù)層。公司將于2021 年2 月提交詳細(xì)設(shè)計(jì)方案參加下一輪競(jìng)標(biāo)，有望為阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃提供支撐。

“超重-星艦”任重而道遠(yuǎn)

或?qū)⒊蔀楹教爝\(yùn)載器發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)

“超重-星艦”運(yùn)載器的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類殖民火星，其設(shè)計(jì)思路以滿足大批量載人、大容量載貨、低成本多次地火往返飛行的需求為目標(biāo)，在深空載人探索運(yùn)載器領(lǐng)域作出了大膽探索，一旦實(shí)現(xiàn)，將對(duì)航天運(yùn)載技術(shù)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響。

在運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)方面，打破火箭和飛船的系統(tǒng)壁壘及火箭+飛船的設(shè)計(jì)模式，發(fā)展箭船融合且多功能的“星艦”，大幅提升載人、載貨容量。

在動(dòng)力系統(tǒng)方面，區(qū)別于以美國(guó)宇航局“航天運(yùn)輸系統(tǒng)”為代表的重型火箭采用少量大推力發(fā)動(dòng)機(jī)及固體助推器的傳統(tǒng)構(gòu)型，“超重”采用多達(dá)30余臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)，形成超大推力和高冗余特性，且可批量化制造發(fā)動(dòng)機(jī)和重復(fù)使用來降低成本。

在重復(fù)使用能力方面，“超重-星艦”是完全重復(fù)使用系統(tǒng)，采用的甲烷推進(jìn)劑可通過火星原位資源制備實(shí)現(xiàn)無限使用，解決了星際往返推進(jìn)劑補(bǔ)給問題，并有望將發(fā)射成本降至200萬美元，比當(dāng)前發(fā)射價(jià)格低一個(gè)量級(jí)。

在發(fā)射/回收方式方面，通過研發(fā)海上發(fā)射/回收平臺(tái)，提升運(yùn)載器發(fā)射及回收的靈活性，擺脫傳統(tǒng)陸地發(fā)射場(chǎng)的地點(diǎn)、射向、安全性等限制，拓展其航天發(fā)射應(yīng)用范圍，并可不斷驗(yàn)證惡劣環(huán)境下的高精度、高可靠發(fā)射/回收技術(shù)，為在火星的惡劣環(huán)境中開展發(fā)射/回收奠定基礎(chǔ)。

“超重-星艦”運(yùn)載器代表著一種全新的航天運(yùn)載器設(shè)計(jì)理念，有望與升力體式兩級(jí)/單級(jí)入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器一起，引領(lǐng)可重復(fù)使用航天運(yùn)載器發(fā)展方向，成為未來人類航天運(yùn)載器的重要補(bǔ)充力量。

▲ “星艦”載人型（左）和載貨型（右）概念圖

包攬從地球到深空的各種任務(wù)

基于太空探索技術(shù)公司以往火箭和飛船的研制改進(jìn)路線判斷，“超重-星艦”運(yùn)載器不會(huì)一步到位實(shí)現(xiàn)載人探火，而是將通過地球軌道等發(fā)射任務(wù)不斷迭代改進(jìn)自身設(shè)計(jì)，提升關(guān)鍵技術(shù)成熟度。因此，“超重-星艦”運(yùn)載器在應(yīng)用初期，有望以其百噸級(jí)運(yùn)載能力、通用化設(shè)計(jì)構(gòu)型、可重復(fù)使用特性，開展多樣化發(fā)射活動(dòng)。

在地球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸方面，“超重-星艦”實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)用后，通過其海上發(fā)射/回收平臺(tái)，可從世界各地靈活地起飛和著陸，發(fā)展為地球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載人交通運(yùn)輸工具，在半小時(shí)內(nèi)從美國(guó)直達(dá)全球任意地點(diǎn)。

在載荷發(fā)射任務(wù)方面，“超重-星艦”近地軌道和同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力分別達(dá)到100 噸和21 噸，載荷艙整流罩直徑達(dá)9 米，是人類有史以來研制的運(yùn)載器中最大的載荷艙，可助力美國(guó)月球“門戶”大型空間設(shè)施建設(shè)，還可加速“星鏈”等衛(wèi)星星座部署進(jìn)程。

在月球探索方面，“超重-星艦”一次發(fā)射最遠(yuǎn)可達(dá)到月球軌道，實(shí)現(xiàn)月球軌道站運(yùn)輸補(bǔ)給，未來還將具備在軌加注能力，分別發(fā)射只攜帶推進(jìn)劑的“星艦”和載人“星艦”，在近地軌道對(duì)接加注后，飛往月球以遠(yuǎn)的深空。

▲ “星艦”總裝大樓

▲ 星艦SN5 點(diǎn)火

技術(shù)跨度大也伴隨著潛在風(fēng)險(xiǎn)

“超重-星艦”與現(xiàn)役火箭相比性能先進(jìn)，但技術(shù)跨度較大，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，仍需持續(xù)投入研制力量和資金攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

在重復(fù)使用技術(shù)方面，獵鷹9 火箭一子級(jí)復(fù)用技術(shù)較為成熟，為“超重”火箭復(fù)用技術(shù)研發(fā)降低了難度，但“星艦”需從軌道返回，再入速度更快，其姿態(tài)控制和熱防護(hù)系統(tǒng)面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

在系統(tǒng)安全性方面，箭船融合的“星艦”雖然具備更強(qiáng)的運(yùn)輸能力，但乘員艙緊鄰火箭推進(jìn)劑貯箱，沒有獨(dú)立的逃逸系統(tǒng)，且回收時(shí)沒有備份降落傘，一旦發(fā)生突發(fā)情況難以保障乘員安全。

在“超重-星艦”結(jié)構(gòu)材料方面，雖然采用不銹鋼具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但使用不銹鋼建造大直徑貯箱及箭體結(jié)構(gòu)對(duì)工藝要求較高，太空探索技術(shù)公司在不銹鋼貯箱加壓試驗(yàn)中多次失敗，技術(shù)尚未成熟。

總之，“超重-星艦”作為太空探索技術(shù)公司的下一代航天運(yùn)輸系統(tǒng)，可進(jìn)一步擴(kuò)充其運(yùn)載器型譜，提升其航天運(yùn)輸能力，形成從近地到深空，從衛(wèi)星發(fā)射到載人航天全覆蓋的發(fā)射能力；還可以低成本、大運(yùn)力優(yōu)勢(shì)，在美國(guó)重返月球等深空探索項(xiàng)目中充當(dāng)政府“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭的補(bǔ)充力量，提供備份發(fā)射選擇，及貨運(yùn)、載人等發(fā)射服務(wù)，加速美國(guó)對(duì)地外星體資源的搶占和控制；此外，“超重-星艦”將使美國(guó)的近地軌道商業(yè)化服務(wù)向地球軌道以遠(yuǎn)延伸，有望為他國(guó)科學(xué)機(jī)構(gòu)和個(gè)人提供深空技術(shù)驗(yàn)證、深空旅行、深空旅居等機(jī)會(huì)，加速美國(guó)及其盟國(guó)航天技術(shù)水平發(fā)展進(jìn)程。

“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”“超重獵鷹火箭-超重獵鷹飛船”“超重-星艦”運(yùn)載器方案對(duì)比

▲ 星艦SN5 試飛

同時(shí)也應(yīng)看到該運(yùn)載器的研制需要持續(xù)投入大量資金、不斷進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，只有利用該運(yùn)載器的多任務(wù)適應(yīng)性吸引到地球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)商業(yè)運(yùn)輸、地球軌道商業(yè)發(fā)射或載人登月等任務(wù)合同資金，并成功開展發(fā)射活動(dòng)，形成技術(shù)研發(fā)與商業(yè)運(yùn)營(yíng)的良性閉環(huán)，才有望逐步提升“超重-星艦”的技術(shù)成熟度和可靠性，降低載人航天及深空探索門檻，最終實(shí)現(xiàn)殖民火星的目標(biāo)。