“超重-星艦”基本情況與應用前景分析

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研究所）

美國太空探索技術公司（SpaceX）的“超重-星艦”（ Super Heavy-Starship）由于其超大運載能力、超大載荷空間、超低發射成本、超低保障條件而廣受關注。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試”，火箭在起飛達到約39km高度后解體爆炸，但此次飛行測試仍然具有重要意義。本文針對“超重-星艦”及相關情況進行了調研分析，并對“超重-星艦”開展了技術特點、應用前景分析。

1 基本情況

項目背景

2018年，美國SpaceX公司提出“超重-星艦”重型運載火箭方案，以低成本、完全可重復使用為著力點，旨在實現星際載人飛行、全球航班式運輸投送、星座級衛星部署、長期在軌試驗、航天器在軌捕獲和維修等活動?！俺?星艦”為兩級光桿構型、通用直徑9m，一級長約69m，配置33臺液氧甲烷“猛禽”發動機，二級長約50m，配置3臺“猛禽”發動機和3臺真空版發動機，設計低地球軌道（LEO）運載能力不小于100t，載荷空間大于1000m3。

“超重-星艦”總體參數表

研制進展

2019年開始，SpaceX公司在得克薩斯州博卡奇卡試驗場啟動星艦原型機制造、測試和試驗，SpaceX公司遵循快速試錯理念，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，并針對每一代原型機開展了一系列試驗，采用先地面后飛行、先縮比樣機到全尺寸樣機的步驟，依次快速迭代地開展各項試驗。典型試驗包括：SN5和SN6于2020年7~9月相繼成功完成靜態點火和150m低空試飛；SN8、SN9、SN10和SN11于2020年12月－2021年3月相繼在進行十千米級高空試飛時爆炸損毀；SN15于2021年5月取得首次十千米級高空試飛圓滿成功；在完成超重基礎級B7與星艦飛船SN24合體和靜態點火測試后，B7與SN24于2023年1月完成了濕彩排（完成全部推進劑加注），B7于2023年2月完成了首次全面靜態點火測試（嘗試33臺發動機點火，測試中節流50%狀態下啟動了31臺“猛禽”發動機，共產生3600多噸推力）。在獲得美國聯邦航空管理局（FAA）批準的發射許可后，SpaceX公司于2023年4月20日實施了首次飛行測試。

“超重-星艦”首飛圖

相關資助

(1)美國國家航空航天局（NASA）

SpaceX公司是競標NASA向月球發射有效載荷合同的公司之一。同時，作為“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃開發載人登月系統合同第一階段的一部分，SpaceX公司從NASA獲得了價值1.35億美元的開發合同。

2021年4月16日，NASA正式宣布SpaceX公司成為美國Artemis登月計劃中唯一的登月艙承包商，在此過程中馬斯克擊敗了由藍色起源公司（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“國家隊”，以及動力系統公司（Dynetics）組成的“小企業隊”，獨自獲得28.9億美元的固定額度合同。

(2)美國空軍

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（Rocket Cargo）概念。2020年，美軍運輸司令部向SpaceX公司征詢全球遠程快速投送的可行性，2021年火箭貨運項目宣布實施?；鸺涍\項目擬通過空軍2030年科學與技術戰略預算支持，在2021財年和2022財年相繼獲得970萬美元和4790萬美元經費資助。

美國空軍研究實驗室發布的火箭貨運概念圖

2 技術特點分析

全球首型兩級構型完全重復使用運載火箭

“超重-星艦”是全球首款兩級構型完全重復使用的運載火箭，且是重型運載火箭。雖然獵鷹－9（Falcon－9）火箭因單個一子級已成功實現復用15次而成為重復使用運載火箭的典型代表，但其二子級仍未實現可回收復用。“超重-星艦”將做到兩級完全重復使用，且取消了整流罩分離，改用了一體化載荷艙蓋，變相實現了傳統整流罩的回收。因此，“超重-星艦”將做到除推進劑、隔熱瓦和維護成本外的真正“零消耗”。

全球首型低軌發射成本百美元級的運載火箭

“超重-星艦”采用極低成本的不銹鋼材料、無整流罩一體化設計、過冷加注技術、低成本重量輕的隔熱瓦、模塊化設計方案、全箭僅用一型發動機、兩級完全重復使用等多種顛覆性設計方案和技術，有效降低了研制、生產和使用成本，且提高了生產效率和可靠性。經初步成本分析，“超重-星艦”可將進入低地球軌道的成本降低到每千克百美元級甚至更低，該成本對現有航天運輸系統都將是“降維打擊”（當前進入空間成本最低的是獵鷹－9運載火箭，約每千克2500美元）。

全球首型高度集成簡化地面支持系統的重型運載火箭

SpaceX公司將“超重-星艦”的地面支持系統稱之為“第0級”，通過箭地一體化設計盡量將相關配套系統留在地面，以降低發射成本，減輕飛行重量?！俺?星艦”發射試驗場區采取緊湊、簡潔布局設計，各試驗設施間隔較小，大多為露天設置，廠房多采用低成本、可快速拆卸的預制式板材搭建；發射臺和發射塔均采用構造簡潔、可快速恢復的結構，且取消了價格昂貴、施工復雜的導流槽；單個場區面積僅約為0.08km2，大幅降低了發射試驗場區的復雜性、占地面積和建造成本。同時，該高度集成簡化的重型運載火箭地面支持系統有力推動了“發射場革命”的發展。

全球首型有望批量化生產的重型運載火箭

SpaceX公司一直致力于用工業化、流水線的批量化生產方式來大幅降低成本，且其效益已經在“獵鷹”系列火箭和“星鏈”（Starlink）衛星上得到了驗證。SpaceX公司也正在將量產的方式用在“超重-星艦”這種重型運載火箭上，具體表現在：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”發動機已基本實現工業化、流水線快速生產，當前年產量已突破200臺。

3 應用前景分析

“超重-星艦”將具有超大運載能力（低地球軌道運載能力不小于100t）、超大載荷空間（＞1000m3）、超低發射成本（每千克百美元級）和超低保障條件（單個發射區面積＜0.1km2）等典型優勢，將改變現有進出空間、全球投送和星際運輸格局。經過分析研究，“超重-星艦”主要應用前景分析如下。

體系支撐萬顆量級星座快速組網

“星鏈”衛星星座是SpaceX公司的寬帶衛星互聯網星座，旨在太空構建一個總量高達4.2萬顆的巨型衛星星座，計劃2027年先期完成1.2萬顆衛星部署，2033年完成后續3萬顆衛星部署。近年來，SpaceX公司通過獵鷹－9運載火箭以一箭60星的快速發射已完成4200多顆“星鏈”衛星的部署（其中約350顆已失效或脫軌），但要利用獵鷹－9運載火箭按計劃完成“星鏈”衛星部署仍力不從心。然而，如果未來使用“超重-星艦”發射“星鏈”衛星，有望實現一箭400星發射，可進一步加快星座建設步伐（按照“超重-星艦”年發射40發的頻率，可實現年發射16000顆“星鏈”衛星），并大大降低發射成本，提高星座盈利水平。

超低成本航班化天地往返運輸

美國可利用“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，使美具備按需快速部署和增強空間網絡、離軌空間資產或垃圾、貫通天地界限、自由穿梭往返的能力，實現低成本、航班化、完全重復、快速天地往返運輸，有力提高美太空軍快速部署、重建、恢復和維持太空資產能力，從而可有力支撐美“太空機動與后勤”作戰概念。

小時級全球快速投送

當前，全球戰略快速投送主要依靠戰略運輸機，火箭投送可進一步完善和增強全球戰略投送體系，實現小時級全球力量快速布控。美國通過火箭貨運等項目的實施和相應基礎設施的成體系建設，可基于“超重-星艦”實現百噸級貨物或人員的全球點對點快速投送，發揮火箭投送飛行時間短、投送距離遠、突防能力強、空域約束小等優勢，實現戰略物資、兵力或救援物資緊急部署補給?；鸺端蛯⑹呛ｊ懣者\輸投送體系的有益補充，并將重塑未來軍民用運輸體系和格局。

火箭投送與航空投送技術指標對比

地外天體基地建設和控制

美國在全球各地持續投入大量兵力，維持幾百個軍事基地，其主要目的之一是控制全球的重要交通咽喉要地，進而控制全球主要的能源和貨物運輸，這極大影響著全球貿易和軍事戰略格局。這一競爭格局將有可能復刻到太空領域，美國的太空戰略是確保其太空控制、太空行動自由與謀求太空霸權，美國通過《阿爾忒彌斯協定》《地月空間入門》和《太空力量》等文件，正在實質謀求對月球等地外天體的“控制權”。通過“‘超重-星艦’進入空間+星艦在軌加注”的星際運輸模式，美國將實現星際空間的航班化運輸，率先實現地外天體基地的建設和控制，并進一步支撐美國扼守星際空間咽喉要地的戰略目標，打造美國在星際空間的太空霸權。

4 小結

美國SpaceX公司采用“設計-制造-試驗”的快速迭代方式，利用不到6年時間已讓具有完全重復使用潛力的“超重-星艦”重型運載火箭開展了首飛飛行測試。雖然“超重-星艦”首次飛行測試未能完成所有預定目標，但通過研發“超重-星艦”重型運載火箭，SpaceX公司正在創新火箭研產模式、顛覆進入空間的規模和成本、開創火箭應用場景，并將通過“超重-星艦”的超強能力、超低成本和超簡保障改變現有進出空間、全球投送和星際運輸格局。