SpaceX“超重-星艦”運輸系統研制進展

齊環環 韓虹（北京航天動力研究所）

“超重-星艦”運輸系統概念圖

1 “超重-星艦”運輸系統簡介

2016年9月,SpaceX公司正式對外公布了“星際運輸系統”（ITS），瞄準人類移民火星以及星際探索。隨后持續進行快速迭代，每年都進行一定程度的方案調整，從初期的“星際運輸系統”方案到2017年的“大獵鷹火箭”（BFR）方案，最終逐漸演化成“超重-星艦”運輸系統。

“超重-星艦”運輸系統由“星艦”飛船級和“超重”火箭級構成，采用不銹鋼箭體，并由自主研制的“猛禽”（Raptor）發動機提供動力，飛船級和火箭級都將返回地面，完全可重復使用。“超重”火箭級可在發射數分鐘后回收，并具備在1h內再次發射的條件。“星艦”飛船級可通過軌道加注（主要是加氧）實現到達火星的目標。再入大氣層熱防護用的隔熱罩耐用且成本低，可重復使用。馬斯克預計幾年內，“星艦”任務的單次飛行成本可能低于1000萬美元，其中包括推進劑等邊際成本和該項目的運營開銷。

隨著研制過程的推進，“星艦”飛船級和“超重”火箭級的尺寸及性能參數一直在不斷變化。“星艦”飛船級高度50m，直徑9m，推進劑裝載量1200t，推力1500t，有效載荷能力約為100～150t，取決于軌道高度。飛船級安裝6臺“猛禽”發動機，未來可能會增加至9臺，其中3臺設計用于地面反推著陸，6臺用于真空。“超重”火箭級高度69m，直徑9m，推進劑裝載量3400t，未來可能增加到3600～3800t，推力7590t。最初的“超重”火箭級有29臺“猛禽”發動機，未來將配備33臺。

“星艦”飛船級（左）和“超重”火箭級（右）（來源：SpaceX）

2 “猛禽”發動機情況

“超重-星艦”運輸系統兩級都由自主研發的“猛禽”發動機提供動力。該發動機采用全流量分級燃燒循環，液氧甲烷推進劑以及雙泵雙預燃室。富燃預燃室驅動燃料泵，富氧預燃室驅動液氧泵，并研發SX500系列合金以承受富氧預燃室的高溫燃氣。該發動機具有推力大，比沖高，壽命長且可復用性強等特點。

“猛禽”發動機技術特點：

1）“猛禽”發動機采用全流量分級燃燒循環，通過補燃所有燃料燃燒做功從噴管噴出產生推力，可獲得較高比沖。同一般的富氧和富燃分級燃燒循環相比，全流量分級燃燒循環有以下特點，2個預燃室分別進行富氧燃燒和富燃燃燒，分別產生富氧燃氣和富燃燃氣，兩股高溫燃氣進入主燃燒室進行充分燃燒，提高主燃燒室的燃燒效率，從而提高發動機性能；另外，由于推進劑都通過預燃室，預燃室工作溫度更低，壽命更長，有利于提高發動機的重復使用次數。

2）針栓式噴注器。通過呈90°的軸向射流和徑向射流間的撞擊來組織霧化和混合，燃燒效率高，可進行大幅度推力調節。

3）再生冷卻系統/燃料自生增壓。通過燃燒室表面的管道循環來冷卻推進劑，同時加熱甲烷和液氧，自生增壓，使儲罐內燃料在不斷消耗后能夠自生加壓。

4）3D打印技術。“猛禽”發動機上的3D打印組件包括推進劑閥門，渦輪泵部件和噴注器系統的許多組件，3D打印部件質量約占發動機總質量的40%。

5）新材料技術。SpaceX公司開發了一種新型金屬合金SX500系列，用于承受富氧預燃室的高溫富氧燃氣。

發布會上，馬斯克詳細介紹了正在生產和測試的新版本猛禽－2發動機。相比最初型號猛禽－1，猛禽－2發動機推力更大，使用的零件更少，而且更便宜、更容易制造，這對于實現SpaceX公司“星艦”計劃的低成本和高性能目標至關重要。與猛禽－1發動機的185t推力相比，新版本可以產生至少230t的推力，之后可能增加到250t。

猛禽－1（左）和猛禽－2（右）對比圖（來源：SpaceX）

3 發射基地

SpaceX公司原本準備讓“超重-星艦”從德克薩斯州博卡奇卡發射場發射，但如果正在進行的環境審查出現長時間延誤，該公司將轉移“超重-星艦”至佛羅里達州肯尼迪航天中心（KSC）進行發射。

美國聯邦航空管理局（FAA）再次延長“超重-星艦”軌道飛行的環境審查時間，以進一步展開相關審查和機構間磋商。該審查的結果可能是執行更嚴格的環境影響評價(EIS)。EIS一般需要幾個月甚至超過一年的時間才能完成，在此過程中，博卡奇卡發射場的發射活動會被擱置。因此，SpaceX公司考慮將 “超重-星艦”轉移到肯尼迪航天中心進行發射。此前，肯尼迪航天中心已經獲得了“超重-星艦”發射的環境批準，但由于其配置不斷更新，目前尚不清楚肯尼迪航天中心早期的環境審查是否需要更新。

從長遠來看，SpaceX公司將把肯尼迪航天中心作為“超重-星艦”的主要發射場，并正在那里建造工廠。目前，SpaceX公司將兩個石油鉆井平臺轉換為可以根據需要移動的平臺，用作海上發射場。肯尼迪航天中心將與海上發射平臺一起為主要業務運行服務。

“超重-星艦”在發射捕獲塔旁（左）和發射捕獲塔結構（右）（來源：SpaceX）

4 回收方式

“超重-星艦”運輸系統的發射捕獲塔（launch&catchtower）稱為Mechazilla，是未來快速回收復用的核心。Mechazilla發射捕獲塔高度145m，為鋼結構，并擁有3條機械臂。一條是快速斷開臂，用于發射前快速擺開臍帶連接等加注設備，并充當中部穩定結構；另外兩條機械臂像“筷子”一樣，用于捕獲“超重”火箭級。這兩條機械臂可以沿發射塔主結構上下移動。在回收過程中，“超重”火箭級垂直降落到一定高度后，將頂部的4個柵格舵鎖定為水平位置，通過發動機的推力調節和擺動以一個角度去靠近發射塔，在達到懸停狀態后，機械臂展開接觸鎖定的柵格舵，將“超重”火箭級吊掛在捕獲塔上，發動機關機熄火。隨后機械臂可以移動并將火箭級準確放置到發射架上，實現快速回收復用。

“星艦”飛船級回收過程中，以“腹部拍水式俯沖”（bellyflop）方式下降，下降過程中，反推力矩逐漸擺正姿態，著陸前恰好垂直，飛船級需要不斷調整，以保持穩定飛行。傳統火箭上面級打開整流罩將有效載荷送入軌道后，便拋掉整流罩，為一次性使用。“星艦”飛船級的整流罩可打開/關閉，因此部署有效載荷后，整流罩可以一同回收，這也將允許飛船捕獲衛星在軌道上進行維修，搬遷衛星至其他軌道，甚至帶回地球。

“星艦”飛船級腹部拍水式俯沖示意圖（來源：SpaceX）

5 結束語

“超重-星艦”運輸系統的研制進展備受關注，總結起來有如下優勢：全系統可回收和重復使用，憑借以液氧甲烷為燃料的“猛禽”發動機無結焦問題的特點，進一步提高重復使用次數，降低發射成本；全系統采用一型“猛禽”發動機，全流量分級燃燒循環，推力大、比沖高；未來系統還具備在軌加注功能，能夠進一步進行深空探測。之后，SpaceX公司將進行“超重-星艦”的第一次入軌試飛，如果軌道飛行成功，其將成為有史以來最大的入軌火箭，也將成為第一個完全可重復使用的軌道運載工具。