SpaceX“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)研制進(jìn)展

齊環(huán)環(huán) 韓虹（北京航天動(dòng)力研究所）

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)概念圖

1 “超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2016年9月,SpaceX公司正式對(duì)外公布了“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準(zhǔn)人類移民火星以及星際探索。隨后持續(xù)進(jìn)行快速迭代，每年都進(jìn)行一定程度的方案調(diào)整，從初期的“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”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(yùn)輸系統(tǒng)。

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)由“星艦”飛船級(jí)和“超重”火箭級(jí)構(gòu)成，采用不銹鋼箭體，并由自主研制的“猛禽”（Raptor）發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，飛船級(jí)和火箭級(jí)都將返回地面，完全可重復(fù)使用。“超重”火箭級(jí)可在發(fā)射數(shù)分鐘后回收，并具備在1h內(nèi)再次發(fā)射的條件。“星艦”飛船級(jí)可通過(guò)軌道加注（主要是加氧）實(shí)現(xiàn)到達(dá)火星的目標(biāo)。再入大氣層熱防護(hù)用的隔熱罩耐用且成本低，可重復(fù)使用。馬斯克預(yù)計(jì)幾年內(nèi)，“星艦”任務(wù)的單次飛行成本可能低于1000萬(wàn)美元，其中包括推進(jìn)劑等邊際成本和該項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)開銷。

隨著研制過(guò)程的推進(jìn)，“星艦”飛船級(jí)和“超重”火箭級(jí)的尺寸及性能參數(shù)一直在不斷變化。“星艦”飛船級(jí)高度50m，直徑9m，推進(jìn)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(jí)安裝6臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)可能會(huì)增加至9臺(tái)，其中3臺(tái)設(shè)計(jì)用于地面反推著陸，6臺(tái)用于真空。“超重”火箭級(jí)高度69m，直徑9m，推進(jìn)劑裝載量3400t，未來(lái)可能增加到3600～3800t，推力7590t。最初的“超重”火箭級(jí)有29臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)將配備33臺(tái)。

“星艦”飛船級(jí)（左）和“超重”火箭級(jí)（右）（來(lái)源：SpaceX）

2 “猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)情況

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)兩級(jí)都由自主研發(fā)的“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)，液氧甲烷推進(jìn)劑以及雙泵雙預(yù)燃室。富燃預(yù)燃室驅(qū)動(dòng)燃料泵，富氧預(yù)燃室驅(qū)動(dòng)液氧泵，并研發(fā)SX500系列合金以承受富氧預(yù)燃室的高溫燃?xì)狻Ｔ摪l(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大，比沖高，壽命長(zhǎng)且可復(fù)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：

1）“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)，通過(guò)補(bǔ)燃所有燃料燃燒做功從噴管噴出產(chǎn)生推力，可獲得較高比沖。同一般的富氧和富燃分級(jí)燃燒循環(huán)相比，全流量分級(jí)燃燒循環(huán)有以下特點(diǎn)，2個(gè)預(yù)燃室分別進(jìn)行富氧燃燒和富燃燃燒，分別產(chǎn)生富氧燃?xì)夂透蝗既細(xì)猓瑑晒筛邷厝細(xì)膺M(jìn)入主燃燒室進(jìn)行充分燃燒，提高主燃燒室的燃燒效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能；另外，由于推進(jìn)劑都通過(guò)預(yù)燃室，預(yù)燃室工作溫度更低，壽命更長(zhǎng)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用次數(shù)。

2）針?biāo)ㄊ絿娮⑵鳌Ｍㄟ^(guò)呈90°的軸向射流和徑向射流間的撞擊來(lái)組織霧化和混合，燃燒效率高，可進(jìn)行大幅度推力調(diào)節(jié)。

3）再生冷卻系統(tǒng)/燃料自生增壓。通過(guò)燃燒室表面的管道循環(huán)來(lái)冷卻推進(jìn)劑，同時(shí)加熱甲烷和液氧，自生增壓，使儲(chǔ)罐內(nèi)燃料在不斷消耗后能夠自生加壓。

4）3D打印技術(shù)。“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)上的3D打印組件包括推進(jìn)劑閥門，渦輪泵部件和噴注器系統(tǒng)的許多組件，3D打印部件質(zhì)量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的40%。

5）新材料技術(shù)。SpaceX公司開發(fā)了一種新型金屬合金SX500系列，用于承受富氧預(yù)燃室的高溫富氧燃?xì)狻?/p>

發(fā)布會(huì)上，馬斯克詳細(xì)介紹了正在生產(chǎn)和測(cè)試的新版本猛禽－2發(fā)動(dòng)機(jī)。相比最初型號(hào)猛禽－1，猛禽－2發(fā)動(dòng)機(jī)推力更大，使用的零件更少，而且更便宜、更容易制造，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)SpaceX公司“星艦”計(jì)劃的低成本和高性能目標(biāo)至關(guān)重要。與猛禽－1發(fā)動(dòng)機(jī)的185t推力相比，新版本可以產(chǎn)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(duì)比圖（來(lái)源：SpaceX）

3 發(fā)射基地

SpaceX公司原本準(zhǔn)備讓“超重-星艦”從德克薩斯州博卡奇卡發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，但如果正在進(jìn)行的環(huán)境審查出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間延誤，該公司將轉(zhuǎn)移“超重-星艦”至佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心（KSC）進(jìn)行發(fā)射。

美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）再次延長(zhǎng)“超重-星艦”軌道飛行的環(huán)境審查時(shí)間，以進(jìn)一步展開相關(guān)審查和機(jī)構(gòu)間磋商。該審查的結(jié)果可能是執(zhí)行更嚴(yán)格的環(huán)境影響評(píng)價(jià)(EIS)。EIS一般需要幾個(gè)月甚至超過(guò)一年的時(shí)間才能完成，在此過(guò)程中，博卡奇卡發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射活動(dòng)會(huì)被擱置。因此，SpaceX公司考慮將 “超重-星艦”轉(zhuǎn)移到肯尼迪航天中心進(jìn)行發(fā)射。此前，肯尼迪航天中心已經(jīng)獲得了“超重-星艦”發(fā)射的環(huán)境批準(zhǔn)，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(huán)境審查是否需要更新。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，SpaceX公司將把肯尼迪航天中心作為“超重-星艦”的主要發(fā)射場(chǎng)，并正在那里建造工廠。目前，SpaceX公司將兩個(gè)石油鉆井平臺(tái)轉(zhuǎn)換為可以根據(jù)需要移動(dòng)的平臺(tái)，用作海上發(fā)射場(chǎng)。肯尼迪航天中心將與海上發(fā)射平臺(tái)一起為主要業(yè)務(wù)運(yùn)行服務(wù)。

“超重-星艦”在發(fā)射捕獲塔旁（左）和發(fā)射捕獲塔結(jié)構(gòu)（右）（來(lái)源：SpaceX）

4 回收方式

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)射捕獲塔（launch&catchtower）稱為Mechazilla，是未來(lái)快速回收復(fù)用的核心。Mechazilla發(fā)射捕獲塔高度145m，為鋼結(jié)構(gòu)，并擁有3條機(jī)械臂。一條是快速斷開臂，用于發(fā)射前快速擺開臍帶連接等加注設(shè)備，并充當(dāng)中部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；另外兩條機(jī)械臂像“筷子”一樣，用于捕獲“超重”火箭級(jí)。這兩條機(jī)械臂可以沿發(fā)射塔主結(jié)構(gòu)上下移動(dòng)。在回收過(guò)程中，“超重”火箭級(jí)垂直降落到一定高度后，將頂部的4個(gè)柵格舵鎖定為水平位置，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)和擺動(dòng)以一個(gè)角度去靠近發(fā)射塔，在達(dá)到懸停狀態(tài)后，機(jī)械臂展開接觸鎖定的柵格舵，將“超重”火箭級(jí)吊掛在捕獲塔上，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)熄火。隨后機(jī)械臂可以移動(dòng)并將火箭級(jí)準(zhǔn)確放置到發(fā)射架上，實(shí)現(xiàn)快速回收復(fù)用。

“星艦”飛船級(jí)回收過(guò)程中，以“腹部拍水式俯沖”（bellyflop）方式下降，下降過(guò)程中，反推力矩逐漸擺正姿態(tài)，著陸前恰好垂直，飛船級(jí)需要不斷調(diào)整，以保持穩(wěn)定飛行。傳統(tǒng)火箭上面級(jí)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(jí)的整流罩可打開/關(guān)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(wèi)星在軌道上進(jìn)行維修，搬遷衛(wèi)星至其他軌道，甚至帶回地球。

“星艦”飛船級(jí)腹部拍水式俯沖示意圖（來(lái)源：SpaceX）

5 結(jié)束語(yǔ)

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)的研制進(jìn)展備受關(guān)注，總結(jié)起來(lái)有如下優(yōu)勢(shì)：全系統(tǒng)可回收和重復(fù)使用，憑借以液氧甲烷為燃料的“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)結(jié)焦問題的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高重復(fù)使用次數(shù)，降低發(fā)射成本；全系統(tǒng)采用一型“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，全流量分級(jí)燃燒循環(huán)，推力大、比沖高；未來(lái)系統(tǒng)還具備在軌加注功能，能夠進(jìn)一步進(jìn)行深空探測(cè)。之后，SpaceX公司將進(jìn)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(lái)最大的入軌火箭，也將成為第一個(gè)完全可重復(fù)使用的軌道運(yùn)載工具。