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        “超重-星艦”基本情況與應(yīng)用前景分析

        2023-06-24 07:16:42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
        國(guó)際太空 2023年5期
        關(guān)鍵詞:星艦星鏈火箭

        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(guó)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(cè)試”,火箭在起飛達(dá)到約39km高度后解體爆炸,但此次飛行測(cè)試仍然具有重要意義。本文針對(duì)“超重-星艦”及相關(guān)情況進(jìn)行了調(diào)研分析,并對(duì)“超重-星艦”開展了技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用前景分析。

        1 基本情況

        項(xiàng)目背景

        2018年,美國(guó)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(diǎn),旨在實(shí)現(xiàn)星際載人飛行、全球航班式運(yùn)輸投送、星座級(jí)衛(wèi)星部署、長(zhǎng)期在軌試驗(yàn)、航天器在軌捕獲和維修等活動(dòng)?!俺?星艦”為兩級(jí)光桿構(gòu)型、通用直徑9m,一級(jí)長(zhǎng)約69m,配置33臺(tái)液氧甲烷“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī),二級(jí)長(zhǎng)約50m,配置3臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)和3臺(tái)真空版發(fā)動(dòng)機(jī),設(shè)計(jì)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(yàn)場(chǎng)啟動(dòng)星艦原型機(jī)制造、測(cè)試和試驗(yàn),SpaceX公司遵循快速試錯(cuò)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(duì)每一代原型機(jī)開展了一系列試驗(yàn),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(xiàng)試驗(yàn)。典型試驗(yàn)包括:SN5和SN6于2020年7~9月相繼成功完成靜態(tài)點(diǎn)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(jí)高空試飛時(shí)爆炸損毀;SN15于2021年5月取得首次十千米級(jí)高空試飛圓滿成功;在完成超重基礎(chǔ)級(jí)B7與星艦飛船SN24合體和靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)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(diǎn)火測(cè)試(嘗試33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,測(cè)試中節(jié)流50%狀態(tài)下啟動(dòng)了31臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī),共產(chǎn)生3600多噸推力)。在獲得美國(guó)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(shí)施了首次飛行測(cè)試。

        “超重-星艦”首飛圖

        相關(guān)資助

        (1)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)

        SpaceX公司是競(jìng)標(biāo)NASA向月球發(fā)射有效載荷合同的公司之一。同時(shí),作為“阿爾忒彌斯”(Artemis)計(jì)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(jià)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(guó)Artemis登月計(jì)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(guó)家隊(duì)”,以及動(dòng)力系統(tǒng)公司(Dynetics)組成的“小企業(yè)隊(duì)”,獨(dú)自獲得28.9億美元的固定額度合同。

        (2)美國(guó)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(xiàng)目宣布實(shí)施?;鸺涍\(yùn)項(xiàng)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(cái)年和2022財(cái)年相繼獲得970萬美元和4790萬美元經(jīng)費(fèi)資助。

        美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的火箭貨運(yùn)概念圖

        2 技術(shù)特點(diǎn)分析

        全球首型兩級(jí)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(jí)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(gè)一子級(jí)已成功實(shí)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(jí)仍未實(shí)現(xiàn)可回收復(fù)用?!俺?星艦”將做到兩級(jí)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(shí)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(jí)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(jì)、過冷加注技術(shù)、低成本重量輕的隔熱瓦、模塊化設(shè)計(jì)方案、全箭僅用一型發(fā)動(dòng)機(jī)、兩級(jí)完全重復(fù)使用等多種顛覆性設(shè)計(jì)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(jí)甚至更低,該成本對(duì)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(jiǎn)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(jí)”,通過箭地一體化設(shè)計(jì)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(yàn)場(chǎng)區(qū)采取緊湊、簡(jiǎn)潔布局設(shè)計(jì),各試驗(yàn)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(tái)和發(fā)射塔均采用構(gòu)造簡(jiǎn)潔、可快速恢復(fù)的結(jié)構(gòu),且取消了價(jià)格昂貴、施工復(fù)雜的導(dǎo)流槽;單個(gè)場(chǎng)區(qū)面積僅約為0.08km2,大幅降低了發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的復(fù)雜性、占地面積和建造成本。同時(shí),該高度集成簡(jiǎn)化的重型運(yùn)載火箭地面支持系統(tǒng)有力推動(dòng)了“發(fā)射場(chǎng)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(yàn)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(dòng)機(jī)已基本實(shí)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(tái)。

        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(jí))和超低保障條件(單個(gè)發(fā)射區(qū)面積<0.1km2)等典型優(yōu)勢(shì),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(jí)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(gè)總量高達(dá)4.2萬顆的巨型衛(wèi)星星座,計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(guó)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(shí)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(dòng),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(shí)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(dòng)與后勤”作戰(zhàn)概念。

        小時(shí)級(jí)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(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)全球力量快速布控。美國(guó)通過火箭貨運(yùn)等項(xiàng)目的實(shí)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(shí)現(xiàn)百噸級(jí)貨物或人員的全球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)快速投送,發(fā)揮火箭投送飛行時(shí)間短、投送距離遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)、空域約束小等優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略物資、兵力或救援物資緊急部署補(bǔ)給。火箭投送將是海陸空運(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(duì)比

        地外天體基地建設(shè)和控制

        美國(guó)在全球各地持續(xù)投入大量兵力,維持幾百個(gè)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(jìng)爭(zhēng)格局將有可能復(fù)刻到太空領(lǐng)域,美國(guó)的太空戰(zhàn)略是確保其太空控制、太空行動(dòng)自由與謀求太空霸權(quán),美國(guó)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(shí)質(zhì)謀求對(duì)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(guó)將實(shí)現(xiàn)星際空間的航班化運(yùn)輸,率先實(shí)現(xiàn)地外天體基地的建設(shè)和控制,并進(jìn)一步支撐美國(guó)扼守星際空間咽喉要地的戰(zhàn)略目標(biāo),打造美國(guó)在星際空間的太空霸權(quán)。

        4 小結(jié)

        美國(guó)SpaceX公司采用“設(shè)計(jì)-制造-試驗(yàn)”的快速迭代方式,利用不到6年時(shí)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(cè)試。雖然“超重-星艦”首次飛行測(cè)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(chǎng)景,并將通過“超重-星艦”的超強(qiáng)能力、超低成本和超簡(jiǎn)保障改變現(xiàn)有進(jìn)出空間、全球投送和星際運(yùn)輸格局。

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