“超重-星艦”基本情況與應(yīng)用前景分析

譚勝 朱雄峰 劉鷹 劉陽 雍子豪 韓秋龍 王鐵兵 崔朋 （北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“超重-星艦”（ Super Heavy-Starship）由于其超大運(yùn)載能力、超大載荷空間、超低發(fā)射成本、超低保障條件而廣受關(guān)注。2023年4月20日，SpaceX公司的“超重-星艦”在得克薩斯州博卡奇卡開展了“首次全面綜合飛行測試”，火箭在起飛達(dá)到約39km高度后解體爆炸，但此次飛行測試仍然具有重要意義。本文針對“超重-星艦”及相關(guān)情況進(jìn)行了調(diào)研分析，并對“超重-星艦”開展了技術(shù)特點、應(yīng)用前景分析。

1 基本情況

項目背景

2018年，美國SpaceX公司提出“超重-星艦”重型運(yùn)載火箭方案，以低成本、完全可重復(fù)使用為著力點，旨在實現(xiàn)星際載人飛行、全球航班式運(yùn)輸投送、星座級衛(wèi)星部署、長期在軌試驗、航天器在軌捕獲和維修等活動?！俺?星艦”為兩級光桿構(gòu)型、通用直徑9m，一級長約69m，配置33臺液氧甲烷“猛禽”發(fā)動機(jī)，二級長約50m，配置3臺“猛禽”發(fā)動機(jī)和3臺真空版發(fā)動機(jī)，設(shè)計低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力不小于100t，載荷空間大于1000m3。

“超重-星艦”總體參數(shù)表

研制進(jìn)展

2019年開始，SpaceX公司在得克薩斯州博卡奇卡試驗場啟動星艦原型機(jī)制造、測試和試驗，SpaceX公司遵循快速試錯理念，依次建造了“星蟲”（Starhopper）、MK系列（Starship MK）和SN系列（Starship No.X）三代星艦原型機(jī)，并針對每一代原型機(jī)開展了一系列試驗，采用先地面后飛行、先縮比樣機(jī)到全尺寸樣機(jī)的步驟，依次快速迭代地開展各項試驗。典型試驗包括：SN5和SN6于2020年7~9月相繼成功完成靜態(tài)點火和150m低空試飛；SN8、SN9、SN10和SN11于2020年12月－2021年3月相繼在進(jìn)行十千米級高空試飛時爆炸損毀；SN15于2021年5月取得首次十千米級高空試飛圓滿成功；在完成超重基礎(chǔ)級B7與星艦飛船SN24合體和靜態(tài)點火測試后，B7與SN24于2023年1月完成了濕彩排（完成全部推進(jìn)劑加注），B7于2023年2月完成了首次全面靜態(tài)點火測試（嘗試33臺發(fā)動機(jī)點火，測試中節(jié)流50%狀態(tài)下啟動了31臺“猛禽”發(fā)動機(jī)，共產(chǎn)生3600多噸推力）。在獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準(zhǔn)的發(fā)射許可后，SpaceX公司于2023年4月20日實施了首次飛行測試。

“超重-星艦”首飛圖

相關(guān)資助

(1)美國國家航空航天局（NASA）

SpaceX公司是競標(biāo)NASA向月球發(fā)射有效載荷合同的公司之一。同時，作為“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃開發(fā)載人登月系統(tǒng)合同第一階段的一部分，SpaceX公司從NASA獲得了價值1.35億美元的開發(fā)合同。

2021年4月16日，NASA正式宣布SpaceX公司成為美國Artemis登月計劃中唯一的登月艙承包商，在此過程中馬斯克擊敗了由藍(lán)色起源公司（Blue Origin）、洛馬公司（LM）、諾格公司（NG）和德雷珀公司（Draper）組成的全明星“國家隊”，以及動力系統(tǒng)公司（Dynetics）組成的“小企業(yè)隊”，獨自獲得28.9億美元的固定額度合同。

(2)美國空軍

在“超重-星艦”研制取得一定突破后，美空軍開始探索并研究火箭貨運(yùn)（Rocket Cargo）概念。2020年，美軍運(yùn)輸司令部向SpaceX公司征詢?nèi)蜻h(yuǎn)程快速投送的可行性，2021年火箭貨運(yùn)項目宣布實施?；鸺涍\(yùn)項目擬通過空軍2030年科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略預(yù)算支持，在2021財年和2022財年相繼獲得970萬美元和4790萬美元經(jīng)費(fèi)資助。

美國空軍研究實驗室發(fā)布的火箭貨運(yùn)概念圖

2 技術(shù)特點分析

全球首型兩級構(gòu)型完全重復(fù)使用運(yùn)載火箭

“超重-星艦”是全球首款兩級構(gòu)型完全重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，且是重型運(yùn)載火箭。雖然獵鷹－9（Falcon－9）火箭因單個一子級已成功實現(xiàn)復(fù)用15次而成為重復(fù)使用運(yùn)載火箭的典型代表，但其二子級仍未實現(xiàn)可回收復(fù)用?！俺?星艦”將做到兩級完全重復(fù)使用，且取消了整流罩分離，改用了一體化載荷艙蓋，變相實現(xiàn)了傳統(tǒng)整流罩的回收。因此，“超重-星艦”將做到除推進(jìn)劑、隔熱瓦和維護(hù)成本外的真正“零消耗”。

全球首型低軌發(fā)射成本百美元級的運(yùn)載火箭

“超重-星艦”采用極低成本的不銹鋼材料、無整流罩一體化設(shè)計、過冷加注技術(shù)、低成本重量輕的隔熱瓦、模塊化設(shè)計方案、全箭僅用一型發(fā)動機(jī)、兩級完全重復(fù)使用等多種顛覆性設(shè)計方案和技術(shù)，有效降低了研制、生產(chǎn)和使用成本，且提高了生產(chǎn)效率和可靠性。經(jīng)初步成本分析，“超重-星艦”可將進(jìn)入低地球軌道的成本降低到每千克百美元級甚至更低，該成本對現(xiàn)有航天運(yùn)輸系統(tǒng)都將是“降維打擊”（當(dāng)前進(jìn)入空間成本最低的是獵鷹－9運(yùn)載火箭，約每千克2500美元）。

全球首型高度集成簡化地面支持系統(tǒng)的重型運(yùn)載火箭

SpaceX公司將“超重-星艦”的地面支持系統(tǒng)稱之為“第0級”，通過箭地一體化設(shè)計盡量將相關(guān)配套系統(tǒng)留在地面，以降低發(fā)射成本，減輕飛行重量?！俺?星艦”發(fā)射試驗場區(qū)采取緊湊、簡潔布局設(shè)計，各試驗設(shè)施間隔較小，大多為露天設(shè)置，廠房多采用低成本、可快速拆卸的預(yù)制式板材搭建；發(fā)射臺和發(fā)射塔均采用構(gòu)造簡潔、可快速恢復(fù)的結(jié)構(gòu)，且取消了價格昂貴、施工復(fù)雜的導(dǎo)流槽；單個場區(qū)面積僅約為0.08km2，大幅降低了發(fā)射試驗場區(qū)的復(fù)雜性、占地面積和建造成本。同時，該高度集成簡化的重型運(yùn)載火箭地面支持系統(tǒng)有力推動了“發(fā)射場革命”的發(fā)展。

全球首型有望批量化生產(chǎn)的重型運(yùn)載火箭

SpaceX公司一直致力于用工業(yè)化、流水線的批量化生產(chǎn)方式來大幅降低成本，且其效益已經(jīng)在“獵鷹”系列火箭和“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星上得到了驗證。SpaceX公司也正在將量產(chǎn)的方式用在“超重-星艦”這種重型運(yùn)載火箭上，具體表現(xiàn)在：一是“超重-星艦”選用了材料廣泛、易加工制造的不銹鋼做為箭體材料，使其可在極其普通的工廠大棚中快速制造大量的火箭箭體；二是“超重-星艦”用的“猛禽”發(fā)動機(jī)已基本實現(xiàn)工業(yè)化、流水線快速生產(chǎn)，當(dāng)前年產(chǎn)量已突破200臺。

3 應(yīng)用前景分析

“超重-星艦”將具有超大運(yùn)載能力（低地球軌道運(yùn)載能力不小于100t）、超大載荷空間（＞1000m3）、超低發(fā)射成本（每千克百美元級）和超低保障條件（單個發(fā)射區(qū)面積＜0.1km2）等典型優(yōu)勢，將改變現(xiàn)有進(jìn)出空間、全球投送和星際運(yùn)輸格局。經(jīng)過分析研究，“超重-星艦”主要應(yīng)用前景分析如下。

體系支撐萬顆量級星座快速組網(wǎng)

“星鏈”衛(wèi)星星座是SpaceX公司的寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，旨在太空構(gòu)建一個總量高達(dá)4.2萬顆的巨型衛(wèi)星星座，計劃2027年先期完成1.2萬顆衛(wèi)星部署，2033年完成后續(xù)3萬顆衛(wèi)星部署。近年來，SpaceX公司通過獵鷹－9運(yùn)載火箭以一箭60星的快速發(fā)射已完成4200多顆“星鏈”衛(wèi)星的部署（其中約350顆已失效或脫軌），但要利用獵鷹－9運(yùn)載火箭按計劃完成“星鏈”衛(wèi)星部署仍力不從心。然而，如果未來使用“超重-星艦”發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星，有望實現(xiàn)一箭400星發(fā)射，可進(jìn)一步加快星座建設(shè)步伐（按照“超重-星艦”年發(fā)射40發(fā)的頻率，可實現(xiàn)年發(fā)射16000顆“星鏈”衛(wèi)星），并大大降低發(fā)射成本，提高星座盈利水平。

超低成本航班化天地往返運(yùn)輸

美國可利用“超重-星艦”將各類航天器（特別是大型、超大型航天器）按需快速投送到指定軌道，同時捕獲攜帶指定軌道的航天器或太空垃圾離軌返回至地面等行動，使美具備按需快速部署和增強(qiáng)空間網(wǎng)絡(luò)、離軌空間資產(chǎn)或垃圾、貫通天地界限、自由穿梭往返的能力，實現(xiàn)低成本、航班化、完全重復(fù)、快速天地往返運(yùn)輸，有力提高美太空軍快速部署、重建、恢復(fù)和維持太空資產(chǎn)能力，從而可有力支撐美“太空機(jī)動與后勤”作戰(zhàn)概念。

小時級全球快速投送

當(dāng)前，全球戰(zhàn)略快速投送主要依靠戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)，火箭投送可進(jìn)一步完善和增強(qiáng)全球戰(zhàn)略投送體系，實現(xiàn)小時級全球力量快速布控。美國通過火箭貨運(yùn)等項目的實施和相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的成體系建設(shè)，可基于“超重-星艦”實現(xiàn)百噸級貨物或人員的全球點對點快速投送，發(fā)揮火箭投送飛行時間短、投送距離遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)、空域約束小等優(yōu)勢，實現(xiàn)戰(zhàn)略物資、兵力或救援物資緊急部署補(bǔ)給?；鸺端蛯⑹呛ｊ懣者\(yùn)輸投送體系的有益補(bǔ)充，并將重塑未來軍民用運(yùn)輸體系和格局。

火箭投送與航空投送技術(shù)指標(biāo)對比

地外天體基地建設(shè)和控制

美國在全球各地持續(xù)投入大量兵力，維持幾百個軍事基地，其主要目的之一是控制全球的重要交通咽喉要地，進(jìn)而控制全球主要的能源和貨物運(yùn)輸，這極大影響著全球貿(mào)易和軍事戰(zhàn)略格局。這一競爭格局將有可能復(fù)刻到太空領(lǐng)域，美國的太空戰(zhàn)略是確保其太空控制、太空行動自由與謀求太空霸權(quán)，美國通過《阿爾忒彌斯協(xié)定》《地月空間入門》和《太空力量》等文件，正在實質(zhì)謀求對月球等地外天體的“控制權(quán)”。通過“‘超重-星艦’進(jìn)入空間+星艦在軌加注”的星際運(yùn)輸模式，美國將實現(xiàn)星際空間的航班化運(yùn)輸，率先實現(xiàn)地外天體基地的建設(shè)和控制，并進(jìn)一步支撐美國扼守星際空間咽喉要地的戰(zhàn)略目標(biāo)，打造美國在星際空間的太空霸權(quán)。

4 小結(jié)

美國SpaceX公司采用“設(shè)計-制造-試驗”的快速迭代方式，利用不到6年時間已讓具有完全重復(fù)使用潛力的“超重-星艦”重型運(yùn)載火箭開展了首飛飛行測試。雖然“超重-星艦”首次飛行測試未能完成所有預(yù)定目標(biāo)，但通過研發(fā)“超重-星艦”重型運(yùn)載火箭，SpaceX公司正在創(chuàng)新火箭研產(chǎn)模式、顛覆進(jìn)入空間的規(guī)模和成本、開創(chuàng)火箭應(yīng)用場景，并將通過“超重-星艦”的超強(qiáng)能力、超低成本和超簡保障改變現(xiàn)有進(jìn)出空間、全球投送和星際運(yùn)輸格局。