“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

▲ 猛禽發動機海平面型（左）和真空型（右）

2020 年，美國太空探索技術公司在不斷加快“超重-星艦”運載器的研制迭代和試驗步伐，成功利用代號為SN5 和SN6 的兩臺“星艦”全尺寸樣機進行了兩次150 米低空起降飛行試驗，還正式啟動了“超重”的研制工作。這意味著曾經看似“瘋狂且不切實際”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，入軌試驗已不再遙遙無期，載人探火甚至殖民火星的目標也又更近了一步。

新商業航天時代來臨

進入21 世紀以來，美國在航天預算相對緊縮的形勢下，為減少政府開支、提高技術發展效益，大力推動商業航天發展，2010 年《國家航天政策》提出利用商業航天產品和服務滿足政府需求，促進政府采購商業服務；2013 年《國家航天運輸政策》倡導政府與商業企業合作，發展近地軌道商業航天運輸能力；通過出臺《航天現代投資法》《商業航天法》《商業航天發射競爭力法》等一系列配套政策，為航天發射產業提供越來越完善的政策土壤。在此背景下，成立于2002 年的太空探索技術公司得以通過美國宇航局“商業軌道運輸服務計劃”獲得資金、技術及基礎設施等全方位支持，而快速發展壯大，成功研制并發射獵鷹9 運載火箭及貨運“龍”飛船，并以降低發射成本為目標攻關運載火箭重復使用技術。2016年，隨著太空探索技術公司運載火箭重復使用技術逐漸取得突破，該公司提出低成本重型可重復使用運載器研制計劃以及火星殖民遠期愿景。

▲ “超重-星船”概念圖

很馬斯克的“超重-星艦”方案設想

“超重-星艦”為兩級構型運載器，火箭和飛船各占一級，總高120 米，起飛質量5000 噸，近地軌道運載能力100 噸，可從陸地發射場或海上發射平臺發射，兩級均具備基于“獵鷹9”第一級發展而來的垂直起降重復使用能力。運載器的第一級命名為“超重”火箭，高70 米、直徑9 米，安裝31 臺“猛禽”液氧/甲烷發動機，起飛總推力達62000 千牛；箭體結構全部采用高強度輕質不銹鋼材料，上部外側裝有4 個菱形柵格舵，發射時處于收攏狀態，回收時展開用于控制箭體姿態，下部外側裝有六個翼型支腳，用于回收時進行氣動控制及著陸時支撐箭體。

運載器的第二級命名為“星艦”飛船，融合了火箭上面級與飛船功能，包括載人型和載貨型兩種，高50 米、直徑9 米，安裝6 臺“猛禽”液氧/甲烷發動機，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，可發射最大載荷質量100 噸，可裝載各類衛星、大型空間設施及空間站貨物。“星艦”結構也采用不銹鋼材料，上部外側裝有兩個鴨翼，下部外側裝有兩個尾翼、內側裝有6 個可展開支腳，上下氣動翼用于在大氣飛行中進行箭體氣動控制和姿態調節，可展開支腳用于著陸時支撐箭體。

▲ “星船”全尺寸樣機實物圖（左）

所有設計都是為了低成本、可復用

“猛禽”發動機。“超重-星艦”的“猛禽”發動機采用液氧/甲烷推進劑，此類推進劑具備無毒無污染、成本低廉的特點，發動機用后維護方便、便于多次重復使用，且火星上存在大量二氧化碳資源、便于原位開采制備甲烷；采用全流量分級燃燒循環，擁有雙泵和雙預燃室，燃燒室壓強高達30 兆帕，發動機推力達到2000 千牛，真空和海平面比沖分別達到380 秒和330 秒；具備一定節流能力，可在火箭發射中調整推力降低氣動載荷，并滿足火箭回收降落的減速需求。

304 不銹鋼箭體。“超重-星艦”的貯箱和箭體結構均采用304L 不銹鋼材料，其成本低廉，每千克價格僅3美元，遠低于每千克200 美元的碳纖維材料。不銹鋼在低溫時強度高，比強度可達到甚至高于鋁鋰合金，且熔點高達1480 攝氏度，是鋁鋰合金熔點的兩倍以上，從而保證箭體結構強度并使箭體具備良好的熱防護能力。基于不銹鋼材料特性研制的特殊發汗冷卻熱防護系統，可使箭體無需大面積粘貼額外的熱防護材料，降低運載器干重的同時還進一步提升了復用便捷度。

與“獵鷹9”一脈相承的研制理念

太空探索技術公司于2016 年首次提出“星際運輸系統”設計方案，研發預算超過100 億美元；2017 年，因“星際運輸系統”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”，將運載器尺寸縮小，發動機數量和運載能力也隨之減少；2018年，提出“超重-星艦”，對運載器設計方案進一步優化，箭體長度加長，箭體材料由碳纖維復合材料改為不銹鋼，研發預算也降至20 億～30 億美元，此后正式進入研制階段。

太空探索技術公司采取類似“獵鷹9”一子級重復使用技術攻關途徑，先研制演示驗證機再轉入樣機研制。2018 年9 月開始研制直徑9 米、高39米、裝有1 臺“猛禽”發動機的“星蟲”演示驗證機，并在2019 年4 月～8 月進行了3 次點火飛行試驗，最大起飛高度達到150 米，驗證了“星蟲”的懸停性能、“猛禽”發動機的推力矢量控制和姿態噴管控制能力以及其他子系統性能。2019 年11 月開始對裝有1臺“猛禽”發動機的“星艦”全尺寸樣機進行試驗，通過在得克薩斯州和佛羅里達州的兩個生產基地并行制造的方式提高研制和試驗效率，并進行設計迭代；制造了不同功能的樣機，分別開展了貯箱加壓、低溫推進劑加注和發動機靜態點火試驗，部分試驗為極限破壞性試驗。

2020 年8 月和9 月，第5 臺和第6 臺編號分別為SN5、SN6 的樣機成功實現低空起降飛行試驗，最大飛行高度均達150 米，進行了空中懸停、推力矢量控制、反推軟著陸等主要操作，驗證了其結構、材料及“猛禽”發動機的性能水平。代號SN8 的“星艦”全尺寸樣機，安裝了3 臺“猛禽”發動機，還會加裝氣動翼、鼻錐等組件，進行了12.5 千米的起降飛行試驗，后續還將會把高度提升至100千米的亞軌道，不斷迭代各分系統設計，進一步提升技術成熟度。

此外，太空探索技術公司還在2020 年5 月獲得美國宇航局1.35 億美元的載人月球著陸器概念研究和初始研發合同，研發專用于登月的“超重-星艦載人著陸系統”。該系統與普通“超重-星艦”的差異在于其“星艦”取消了鴨翼、尾翼和熱防護層。公司將于2021 年2 月提交詳細設計方案參加下一輪競標，有望為阿爾忒彌斯載人登月計劃提供支撐。

“超重-星艦”任重而道遠

或將成為航天運載器發展的風向標

“超重-星艦”運載器的最終目標是實現人類殖民火星，其設計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，在深空載人探索運載器領域作出了大膽探索，一旦實現，將對航天運載技術發展帶來深遠影響。

在運載器總體設計方面，打破火箭和飛船的系統壁壘及火箭+飛船的設計模式，發展箭船融合且多功能的“星艦”，大幅提升載人、載貨容量。

在動力系統方面，區別于以美國宇航局“航天運輸系統”為代表的重型火箭采用少量大推力發動機及固體助推器的傳統構型，“超重”采用多達30余臺發動機并聯設計，形成超大推力和高冗余特性，且可批量化制造發動機和重復使用來降低成本。

在重復使用能力方面，“超重-星艦”是完全重復使用系統，采用的甲烷推進劑可通過火星原位資源制備實現無限使用，解決了星際往返推進劑補給問題，并有望將發射成本降至200萬美元，比當前發射價格低一個量級。

在發射/回收方式方面，通過研發海上發射/回收平臺，提升運載器發射及回收的靈活性，擺脫傳統陸地發射場的地點、射向、安全性等限制，拓展其航天發射應用范圍，并可不斷驗證惡劣環境下的高精度、高可靠發射/回收技術，為在火星的惡劣環境中開展發射/回收奠定基礎。

“超重-星艦”運載器代表著一種全新的航天運載器設計理念，有望與升力體式兩級/單級入軌可重復使用運載器一起，引領可重復使用航天運載器發展方向，成為未來人類航天運載器的重要補充力量。

▲ “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

基于太空探索技術公司以往火箭和飛船的研制改進路線判斷，“超重-星艦”運載器不會一步到位實現載人探火，而是將通過地球軌道等發射任務不斷迭代改進自身設計，提升關鍵技術成熟度。因此，“超重-星艦”運載器在應用初期，有望以其百噸級運載能力、通用化設計構型、可重復使用特性，開展多樣化發射活動。

在地球點對點運輸方面，“超重-星艦”實現快速復用后，通過其海上發射/回收平臺，可從世界各地靈活地起飛和著陸，發展為地球點對點載人交通運輸工具，在半小時內從美國直達全球任意地點。

在載荷發射任務方面，“超重-星艦”近地軌道和同步轉移軌道運載能力分別達到100 噸和21 噸，載荷艙整流罩直徑達9 米，是人類有史以來研制的運載器中最大的載荷艙，可助力美國月球“門戶”大型空間設施建設，還可加速“星鏈”等衛星星座部署進程。

在月球探索方面，“超重-星艦”一次發射最遠可達到月球軌道，實現月球軌道站運輸補給，未來還將具備在軌加注能力，分別發射只攜帶推進劑的“星艦”和載人“星艦”，在近地軌道對接加注后，飛往月球以遠的深空。

▲ “星艦”總裝大樓

▲ 星艦SN5 點火

技術跨度大也伴隨著潛在風險

“超重-星艦”與現役火箭相比性能先進，但技術跨度較大，存在潛在風險，仍需持續投入研制力量和資金攻關關鍵技術。

在重復使用技術方面，獵鷹9 火箭一子級復用技術較為成熟，為“超重”火箭復用技術研發降低了難度，但“星艦”需從軌道返回，再入速度更快，其姿態控制和熱防護系統面臨更嚴峻的考驗。

在系統安全性方面，箭船融合的“星艦”雖然具備更強的運輸能力，但乘員艙緊鄰火箭推進劑貯箱，沒有獨立的逃逸系統，且回收時沒有備份降落傘，一旦發生突發情況難以保障乘員安全。

在“超重-星艦”結構材料方面，雖然采用不銹鋼具備諸多優點，但使用不銹鋼建造大直徑貯箱及箭體結構對工藝要求較高，太空探索技術公司在不銹鋼貯箱加壓試驗中多次失敗，技術尚未成熟。

總之，“超重-星艦”作為太空探索技術公司的下一代航天運輸系統，可進一步擴充其運載器型譜，提升其航天運輸能力，形成從近地到深空，從衛星發射到載人航天全覆蓋的發射能力；還可以低成本、大運力優勢，在美國重返月球等深空探索項目中充當政府“航天發射系統”重型火箭的補充力量，提供備份發射選擇，及貨運、載人等發射服務，加速美國對地外星體資源的搶占和控制；此外，“超重-星艦”將使美國的近地軌道商業化服務向地球軌道以遠延伸，有望為他國科學機構和個人提供深空技術驗證、深空旅行、深空旅居等機會，加速美國及其盟國航天技術水平發展進程。

“星際運輸系統”“超重獵鷹火箭-超重獵鷹飛船”“超重-星艦”運載器方案對比

▲ 星艦SN5 試飛

同時也應看到該運載器的研制需要持續投入大量資金、不斷進行技術驗證，只有利用該運載器的多任務適應性吸引到地球點對點商業運輸、地球軌道商業發射或載人登月等任務合同資金，并成功開展發射活動，形成技術研發與商業運營的良性閉環，才有望逐步提升“超重-星艦”的技術成熟度和可靠性，降低載人航天及深空探索門檻，最終實現殖民火星的目標。