引 言 

超重-星舰（Super Heavy-StarShip）运输系统是SpaceX公司正在研制的重点项目，该运输系统未来将替代SpaceX现有的法尔肯9和法尔肯重型火箭，可用于执行包括卫星发射、轨道空间站补给与维护、全球“点到点”超快速客运服务以及火星殖民等任务。

SpaceX公司预计在2021年完成首次轨道飞行，最早在2023年执行首次载人绕月飞行任务，计划最早在2024年执行火星货运任务，2027年执行火星载人任务。

超重-星舰系统方案和最新研制进展 

超重-星舰系统方案由SpaceX公司创始人艾伦•马斯克在2016年公布，经过几次重大的修改，从公布之初的星际运输系统（ITS）方案，到2017年的超重法尔肯火箭（BFR）方案，直至目前的超重-星舰方案，在不断修改中逐渐向可实现的方向发展。

超重-星舰采用船箭一体化设计，包括超重火箭级和星舰飞船级。运载能力为100 t+。能将100人送往月球、火星或其它遥远目的地，或是绕地球飞行。系统全长120 m，起飞质量为5 000 t，起飞推力7 400 t（约合72.52 MN），两级均可重复使用。

（1）超重火箭级：高70 m，直径9 m，推进剂加注量为3 300 t，设有4个栅格舵（外型由矩型改为菱形），并设4个固定尾翼兼着陆支腿。将采用猛禽液氧/甲烷发动机，但发动机数量经多次修改，目前仍在论证中。据SpaceX创始人艾伦•马斯克透露，火箭级发动机数量可能是28台。

（2）星舰飞船级：高50 m，直径9 m，采用6台猛禽液氧/甲烷发动机，推进剂加注量为1 200 t，采用双鸭翼+双尾翼，设6个可伸缩着陆支腿。鸭翼和尾翼均改成梯形，以提高着陆时的翼面控制效率。迎风面防热由气膜主动冷却改为防热瓦。

（3）研制进展：在超重-星舰系统的研制过程中，SpaceX遵循快速分阶段验证迭代式研制模式、验证设计概念和方案的可行性。从项目的公布到首架星舰验证机的建成仅仅用了3年的时间。该项目自2019年3月进入密集测试阶段，截止目前已完成对多台9 m直径的星跳号验证机和MK全尺寸原型机的测试，并对多架SN系列原型机进行了飞行测试。实现了原型机的150 m低空飞行和10 km级高空飞行，并在试验中实现了软着陆。验证了星舰导航系统、全箭不锈钢箭体的结构强度、新型着陆支腿以及其他一些基本功能。有力地证明了SpaceX公司采取的迭代式研制模式的有效性。

而“超重”火箭级原型机的制造工作由于受到生产能力的限制直到2020年10月才得以启动。目前已经制造三枚原型机，分别是：超重BN-1、BN-2和BN-3，其中BN-2可能将搭载星舰SN20原型机进行轨道飞行测试。

 技术特点分析 

（1）采用争议较大的全箭不锈钢结构设计

从2016年首次方案公开到2018年底，SpaceX一直都宣称该星际运输系统将采用碳纤维复合材料。但在2018年末突然宣布，改用近些年并不常见的不锈钢材料，并立即报废了曾经用重金购买的复合材料工装。给出的理由是从太空超低温到重返大气层的高温状态，全不锈钢箭体的可用强度与质量比，要比碳纤维、钛合金等航天材料表现更好，只是在常温时不如后两者。不同于半人马座上面级的不锈钢气压设计，超重-星舰采用轴压设计，贮箱在不加注时仍可以保持结构完整。同时，贮箱还要反复加注泄放过冷甲烷和液氧，这都是之前业内鲜有应用的设计。最初，星舰验证机所采用的是高质量301级不锈钢。但在2020年6月，SpaceX利用SN7原型机贮箱进行了低温加压试验，验证了另一种不锈钢材料（据称与304L类似），得出结论是这种不锈钢材料在低温下具有更强的延展性和韧性。

（2）采用猛禽液氧/甲烷发动机

超重-星舰采用的猛禽液氧/甲烷发动机为全流量补燃循环发动机。该发动机设计推力为1 993 kN，约为法尔肯9火箭使用的隼1D发动机的2.5倍。发动机比冲330 s，主燃烧室压力超过250 bar（25 MPa），具备高比冲、深度节流的特点。一旦投入使用，将有望成为第一款投入实用化的液氧/甲烷发动机，也是第一款全流量补燃循环发动机。根据马斯克的说法，单台猛禽发动机设计可执行1 000次飞行，几乎无需维护。采用甲烷燃料具有以下优点：首先，燃烧起来比法尔肯9火箭使用的煤油更清洁，因此发动机上的焦化更少，有利于重复使用。其次，价格便宜并且可以在火星上提取，能够满足未来探火的需求。

（3）采用新的回收方式

超重-星舰系统为完全可重复使用运载器，其火箭级与飞船级均可回收。其中，星舰飞船级设计采用了与此前截然不同的回收方案。

当从轨道返回时，星舰不以垂直姿态进入大气层，而是以60°倾斜的姿态及25倍音速的超高速度“躺着”进入大气层。星舰将由四个单独控制的襟翼精确引导下降。其中两个为鸭翼在鼻锥上，两个尾翼在船尾部分。根据马斯克的说法，“在超音速状态下产生升力，这对限制峰值加热非常重要”。换句话说，星舰将尽可能最大限度地利用空气制动。最终在接近地面时还将进行一次大幅机动，点燃猛禽发动机进行翻转，最后垂直到达地面进行精确着陆。星舰的回收比法尔肯９火箭一子级的回收要困难得多，但如果SpaceX公司能做到这一点，将会是革命性的突破。

图1　星舰着陆剖面

（4）采用防热瓦设计

由于不锈钢的熔点较高，新的不锈钢超重-星舰设计与碳复合材料相比，需要的热防护措施较少，从而弥补了钢具有更高质量的这一缺点。飞船从低轨道返回时，表面约20％的部分将暴露在最高温度约1 476 ℃的环境中，另外20％最高温度至1 326 ℃，其余表面最高温度将低于1 176 ℃，这是不锈钢无需任何额外冷却即可承受的温度。再入时箭体所承受的温度最高不超过330 ℃，发动机部分周围的温度不超过925 ℃，可采用被动辐射冷却来应对。这意味着星舰的背风侧不需要任何隔热层。

而在迎风面，最初马斯克曾设想使用双层不锈钢外壳+液膜冷却来实现防热。但最终SpaceX研发团队还是决定采用坚固的并可重复使用的防热瓦，从而使系统整体更轻。迎风面防热结构将大部分由六边形防热瓦组成。选择这种形状是因为这样“它没有能够让热流加速通过的直线路径间隙”。

SpaceX并未透露防热瓦所采用的材料，而根据SpaceX与NASA Ames研究中心的合作协议推测，SpaceX很可能在星舰上采用该中心所拥有的新型TUFROC防热材料（增韧型单片纤维增强抗氧化复合材料），该材料用于美国空军试验航天器X-37B的翼面前缘，经过飞行验证，且TUFROC-X可直接贴敷于不锈钢材料，工艺上相较碳纤维结构有所简化。

 未来影响分析 

目前，星舰原型机已实现10 km级的高空试飞，最早将于2021年完成轨道发射测试。虽然该时间表过于乐观，但该系统一旦研制成功并投入使用势必对美国航天发射项目、商业发射市场与太空环境等领域带来重大影响。

（1）有望助力美国实现重返月球计划，也为SLS项目带来更大压力

自2011年航天飞机退役以来，SpaceX公司与NASA的合作越来越紧密，在NASA发射中所占的份额也越来越大。目前，SpaceX承担了NASA超过半数的发射，包括许多科学有效载荷，还通过了NASA的载人认证，执行国际空间站乘员轮换任务。此外，SpaceX还被NASA选中为其设计月球着陆器，参与到NASA的重返月球计划 （阿尔忒弥斯计划）中。如果超重-星舰系统能顺利按照计划研制成功，那么将具备100 t以上的LEO运载能力、重复使用能力及载人运输能力，可以通过一次发射将超大型有效载荷送入轨道。这些都符合美国重返月球计划的需求。

相比之下，美国为重返月球而开发的SLS重型火箭，自2010年开始研制，成本增加了一倍，到2020年投入已超过180亿美元，到2025年将达到410亿美元。SLS的研制进度也一推再推，比最初计划的首飞时间至少要延迟3年。NASA的一份报告指责波音公司管理、技术和基础设施问题是导致成本大幅上升和研制进度延迟的主要原因。反观SpaceX公司，仅用5亿美元就研制出了LEO运载能力达53 t的法尔肯重型火箭，并正在积极推进运载能力100 t以上的超重-星舰。而SLS初始型LEO运载能力仅为70 t，最终版LEO运载能力为130 t。此外，SLS设计仅能搭载4名宇航员，而超重-星舰宣称可搭载100人。美国公众纷纷建议把钱投给SpaceX，由它来完成阿尔忒弥斯计划。因此，一旦超重-星舰的研制取得了实质性进展，很可能引起公众对SLS项目更为强烈的诟病。

（2）拓展国际商业发射市场

作为近年来的商业航天新秀，SpaceX快速发展壮大，它的每一次进步都给国际商业航天发射格局带来了不小的冲击。SpaceX成立初期，火箭发射市场主要由美国联合发射联盟（ULA）与欧洲阿里安航天集团所垄断，单次轨道发射的价格高达2.2亿美元。SpaceX以低成本、高可靠性为发展理念，把握美国航天产业的市场化发展机遇，在2010年首次成功发射法尔肯9火箭，以约阿里安5发射报价的1/3进入商业火箭市场，一举打破垄断。随后，SpaceX公司在火箭回收与复用上取得的进展，使得全球商业火箭市场呈现新业态，火箭技术快速迭代，商业发射成本大幅降低。从2008年开始，SpaceX陆续获得NASA、美国空军和铱星公司等的发射订单。发射载荷也从科学实验与验证、NASA货运，拓展到通信、遥感与导航卫星。2018年，法尔肯重型成功首飞，成为现役运力最强火箭，进入全球商业发射市场。根据FAA统计，SpaceX在全球商业火箭发射市场的占有率从2013年的13%，上升到2018年的52%。公司估值从2015年的101亿美元上升到2020年的360亿美元。SpaceX的超重-星舰定位于载人深空探索，预计发射成本低廉，一旦研制成功并投入使用将有望拓展新的国际商业发射市场领地，引领探索星际旅行市场。

（3）增加太空环境隐患

SpaceX的急速扩张也可能给太空环境带来不利因素。具有一次性部署400颗星链卫星能力的超重-星舰系统在投入使用后，势必加快太空这块“草原”的“沙化”，增加太空碎片，加剧太空环境恶化，影响航天器进出太空和在轨运行；并且，由于卫星频率、轨道资源紧张，促使各国对卫星频轨资源的抢夺日益激烈。

 结 语 

SpaceX公司成立不到20年就建立了低成本发射体系、具备了载人能力，掌握了火箭重复使用技术，并且为了实现更大的运载能力和星际殖民的愿景，正在研制超重-星舰运输系统。该系统的设计采用重复使用和液氧/甲烷发动机等关键技术。在研制中依然遵循迭代式研制模式和“像飞行一样测试”的理念。通过对多轮的原型机测试，考核产品设计质量，考验产品结构、性能及主要工艺。虽然此过程并非一帆风顺，但从失败中吸取经验教训，正在让产品逐渐从“纸上”走向现实。而该运输系统一旦投入使用将对美国航天发射项目、商业发射市场与太空环境等领域带来重大影响。