焉寧 胡冬生 郝宇星（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部）

近年來，美國太空探索技術(shù)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(yùn)輸系統(tǒng)方案，可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)完全重復(fù)使用，引發(fā)業(yè)界廣泛關(guān)注。該系統(tǒng)主要執(zhí)行未來月球探測及火星移民任務(wù)，還可應(yīng)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(diǎn)到點(diǎn)”人員運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準(zhǔn)人類殖民火星以及星際探索。隨后持續(xù)進(jìn)行快速迭代，每年均進(jìn)行一定程度的方案調(diào)整，逐漸演化成“超重-星艦”運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)完全重復(fù)使用，由“超重火箭”（推進(jìn)級(jí)）和“星艦”（飛船）組成，旨在滿足地球軌道以及月球、火星等運(yùn)輸任務(wù)需求。其中，“星艦”分為載人版和不載人版兩種構(gòu)型，不載人版有能力將衛(wèi)星、大型天文臺(tái)、貨物、加油貯箱及其他資產(chǎn)運(yùn)送到所需軌道。2020 年4 月，SpaceX 公司基于“星艦”改進(jìn)的登月方案入選美國國家航空航天局（NASA）選定的三項(xiàng)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(rèn)可。2020 年5 月，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）商業(yè)太空運(yùn)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(gè)系列的試驗(yàn)樣機(jī)并持續(xù)開展試飛工作，包括試飛樣機(jī)“星艦跳蟲”（StarHopper）、全尺寸原型樣機(jī)Mk系列和SN 系列，不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，并測試提升“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)召SpaceX 公司員工將主要精力放在“星艦”的研制上，并計(jì)劃2020 年底進(jìn)行全尺寸原型“星艦”首次軌道級(jí)試飛。

2 總體方案及任務(wù)分析

總體方案

SpaceX 公司“超重-星艦”采用兩級(jí)構(gòu)型方案，火箭全長約120m，箭體直徑9m，起飛質(zhì)量5000t，低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力超過100t。一級(jí)“超重”安裝31 臺(tái)“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)“星艦”安裝6 臺(tái)“猛禽”液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括3 臺(tái)海平面版和3 臺(tái)真空版發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧/甲烷推進(jìn)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(fù)使用情況下LEO 運(yùn)載能力初期僅能達(dá)到100t，但隨著技術(shù)改進(jìn)和升級(jí)，未來運(yùn)載能力將提升到125 ～150t。如果不考慮重復(fù)使用，其LEO運(yùn)載能力將超過200t。

任務(wù)剖面概述

“超重-星艦”的典型任務(wù)剖面如下：

1）載人版“超重-星艦”點(diǎn)火起飛，“超重”飛行結(jié)束后與載人版“星艦”分離，“超重”返回到發(fā)射點(diǎn)軟著陸，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。“星艦”點(diǎn)火繼續(xù)推進(jìn)進(jìn)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(diǎn)，加注版“星艦”進(jìn)入LEO 軌道后與載人版“星艦”尾部對接，并實(shí)現(xiàn)液氧/甲烷的在軌加注，隨后加注版“星艦”返回地球。

3）經(jīng)過多次在軌加注后，裝滿推進(jìn)劑的載人版“星艦”點(diǎn)火進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，它將利用太陽能電池產(chǎn)生的能量維持飛船正常運(yùn)行。

4）到達(dá)火星后，“星艦”采用氣動(dòng)捕獲方式直接再入火星大氣，并利用發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)行最終減速，實(shí)現(xiàn)在火星表面軟著陸。

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

6）“星艦”以第二宇宙速度再入地球，經(jīng)過氣動(dòng)減速后，軟著陸完成載人或載貨運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)兩級(jí)完全可重復(fù)使用。

火星運(yùn)輸系統(tǒng)架構(gòu)圖

與其他的載人任務(wù)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(guān)，根據(jù)總體參數(shù)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)滿加注狀態(tài)約需6 ～10次在軌加注。因此，需要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次復(fù)雜的發(fā)射、交會(huì)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(gè)發(fā)射系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。

任務(wù)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(shí)現(xiàn)90 天左右到達(dá)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(wù)規(guī)劃時(shí)可以不受停留時(shí)間和返回窗口的限制。遠(yuǎn)期采用原位資源利用技術(shù)，可以在火星表面生產(chǎn)返程所用的推進(jìn)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(wù)。由于月面軟著陸無法利用氣動(dòng)減速，僅可依靠發(fā)動(dòng)機(jī)反推進(jìn)行減速。因此如果不返回地球，可去掉氣動(dòng)舵，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。加注滿的“星艦”可實(shí)現(xiàn)月面軟著陸，但剩余推進(jìn)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(wù)，需要在返回地球前再次進(jìn)行加注。

3 方案特點(diǎn)分析

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

（1）采用兩級(jí)完全重復(fù)使用方案實(shí)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(gè)能夠完全重復(fù)使用的重型運(yùn)載火箭。雖然獵鷹- 9（Falcon - 9）可以回收一級(jí)火箭，但二級(jí)火箭回收仍存在較大難題?！俺?星艦”將做到除推進(jìn)劑以外真正的“零消耗”，具備完全重復(fù)使用能力。且其僅采用兩級(jí)方案，就能實(shí)現(xiàn)載人月球探測、火星殖民等復(fù)雜任務(wù)，同時(shí)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(fēng)險(xiǎn)，也有效節(jié)約了成本。

SpaceX 公司公布的月球探測任務(wù)示意圖

（2）通用化多任務(wù)適應(yīng)性，打造航班化運(yùn)輸系統(tǒng)

“星艦”分為載人版和貨運(yùn)版，具有多任務(wù)適應(yīng)性，可滿足大規(guī)模發(fā)射入軌、空間站補(bǔ)給、載人月球探測、火星殖民、全球一小時(shí)抵達(dá)等。利用其大規(guī)模進(jìn)出空間的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)航班化“拼車”，定期發(fā)射，從而開創(chuàng)運(yùn)輸新模式。

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

（3）通過飛行試驗(yàn)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(shí)。從最初研制到“跳蟲”試飛，再到全尺寸原型樣機(jī)地面靜態(tài)點(diǎn)火試車，其“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)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(jī)壁厚不到4mm，結(jié)構(gòu)質(zhì)量顯著降低，未來將進(jìn)一步優(yōu)化到2mm 以內(nèi)，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量從200t 降到120t?！俺?星艦”全尺寸原型樣機(jī)快速迭代，從Mk 系列到SN系列，預(yù)計(jì)到SN20 系列基本完成入軌級(jí)“星艦”定型。

（4）大膽采用顛覆性理念設(shè)計(jì)與技術(shù)方案

采用無整流罩的一體化氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，使運(yùn)載和有效載荷一體化。沿用獵鷹-9 運(yùn)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(jìn)劑加注量，而且可以減小貯箱極限壓力設(shè)計(jì)值，因此貯箱壁厚可以變薄，從而進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)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(chǎn)生過載，實(shí)現(xiàn)在軌加注，滿足載人登月、火星殖民等任務(wù)。

采用模塊化設(shè)計(jì)方案，瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)能力建造，通過增加重復(fù)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(qiáng)度壓力考核。全箭僅采用一型發(fā)動(dòng)機(jī)，分為海平面和真空兩個(gè)狀態(tài)，顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)成本和研制周期，提升可靠性。單獨(dú)配備返回著陸專用貯箱，有利于推進(jìn)劑管理，并通過放置在主貯箱內(nèi)部來達(dá)到推進(jìn)劑蒸發(fā)量控制的效果。

全箭及貯箱采用經(jīng)過低溫處理的300 系列標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼，原因是高質(zhì)量不銹鋼材料在低溫下強(qiáng)度會(huì)提高，且不銹鋼的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于目前運(yùn)載火箭常用的鋁合金和復(fù)合材料，對于可重復(fù)使用運(yùn)載火箭，熱防護(hù)壓力大大降低。另外，不銹鋼材料成本極低，有利于運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)低成本，目前已采用304L 不銹鋼制造燃料貯箱，進(jìn)一步提升強(qiáng)度系數(shù)。

4 面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

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

（1）運(yùn)載器氣動(dòng)設(shè)計(jì)及熱防護(hù)技術(shù)

“星艦”用于氣動(dòng)減速的熱防護(hù)（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(dòng)捕獲情況下火星進(jìn)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(jìn)入火星的任務(wù)模式來說，直接從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入火星大氣能夠顯著減少推進(jìn)劑消耗，但同時(shí)對熱防護(hù)提出了更高的要求。

從2016 版到2019 版的“星艦”外觀可見，其氣動(dòng)外形一直在調(diào)整，表明SpaceX 公司對于氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)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(hù)效果。目前僅在其迎風(fēng)面加入熱防護(hù)隔熱片，可在滿足熱防護(hù)要求的情況下，有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后箭體會(huì)有十分劇烈的振動(dòng)，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(jī)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(dǎo)與控制技術(shù)

“星艦”為入軌級(jí)，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(zhǔn)確選擇再入點(diǎn)火時(shí)機(jī)，才有可能降落到期望位置，且再入軌跡需要綜合考慮氣動(dòng)熱約束、能量約束、動(dòng)壓約束、控制約束及環(huán)境因素等。除按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡飛行之外，在偏差過大時(shí)，還需要通過多約束在線軌跡規(guī)劃完成制導(dǎo)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(jìn)劑在軌加注技術(shù)

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(jìn)劑由加注飛行器輸送到目標(biāo)飛行器貯箱，但由于處于在軌微重力環(huán)境下，推進(jìn)劑傳輸與在地面環(huán)境下有很大不同，而且當(dāng)加注低溫推進(jìn)劑時(shí)，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(shù)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(jìn)劑沉底和加注過程實(shí)施。對于多次在軌加注還涉及到多個(gè)發(fā)射任務(wù)的協(xié)調(diào)問題、多次交會(huì)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(shí)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(wù)模式有所調(diào)整，才能減少人員的在軌等待時(shí)間，比如可先將一艘加注版飛船在LEO 軌道經(jīng)過多次加注加滿，再一次性對載人版飛船補(bǔ)加，降低多次加注帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）原位資源利用技術(shù)

“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(jìn)劑。在火星上可以利用水和二氧化碳制備甲烷和氧，以此補(bǔ)充運(yùn)載器的推進(jìn)劑。主要涉及到資源獲取、推進(jìn)劑生成、液化等關(guān)鍵技術(shù)。

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(jìn)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(fù)用，同時(shí)易于在火星上生產(chǎn)，并且與煤油一樣可以在軌加注和轉(zhuǎn)移，一旦實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，將加快火星殖民目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

5 未來發(fā)展預(yù)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(shí)間表，其進(jìn)度雖有延后，但仍在穩(wěn)步推進(jìn)，已成功開展星艦- SN5 低空試飛，而后續(xù)星艦-SN 全尺寸樣機(jī)將實(shí)現(xiàn)高空飛行甚至是入軌級(jí)飛行。目前，“星艦”的設(shè)計(jì)方案尚不具備單級(jí)入軌能力，實(shí)現(xiàn)入軌需要助推級(jí)，得益于“獵鷹”運(yùn)載火箭系列的一子級(jí)發(fā)射和回收技術(shù)的基礎(chǔ)，近期有望使“超重”研制成為現(xiàn)實(shí)。樂觀估計(jì)，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(shí)“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(dǎo)航、制導(dǎo)與控制以及軟著陸機(jī)構(gòu)等方面均有“獵鷹”運(yùn)載火箭的技術(shù)儲(chǔ)備，并且有NASA 火星探測器的軟著陸工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但“星艦”入軌級(jí)通過氣動(dòng)減速返回地球并軟著陸尚存在熱防護(hù)等眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。為了與NASA 提出的2024年登月任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)相匹配，預(yù)計(jì)5 年內(nèi)可具備返回地球及月球軟著陸能力。當(dāng)前大規(guī)模液氧/甲烷推進(jìn)劑在軌加注技術(shù)尚未開展實(shí)質(zhì)性在軌驗(yàn)證，一旦投入工程應(yīng)用，將使得載人月球探測、火星殖民等一系列任務(wù)未來可期。

遠(yuǎn)期有望實(shí)現(xiàn)載人火星往返

在地外天體制備推進(jìn)劑的原位資源利用技術(shù)尚在研究階段，仍未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。一旦在地外天體實(shí)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(yùn)輸變得更加容易實(shí)現(xiàn)。而采用液氧/甲烷推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)大規(guī)模火星殖民、載人飛出太陽系等概念離我們還相對遙遠(yuǎn)。