美國SpaceX超重-星艦首飛分析及對中國航天產業的啟示

孟光，劉昶，楊冬春周城宏，周華

1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240

2.上海航天技術研究院，上海 201109

3.上海宇航系統工程研究所，上海 201109

4.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100190

1 首飛概述

北京時間2023年4月20日21時38分，美國太空探索技術公司的超重-星艦成功實現首次發射，發射階段圓滿，但遺憾的是起飛后多臺發動機陸續出現故障，在飛行至36 km高度時，由于一級推進劑耗盡，全箭姿態失穩，一二級分離失敗，最終執行了箭上自毀程序。盡管發射失敗，但卻是一次非常偉大的嘗試。

首飛重點考核超重-星艦的工程可行性，驗證發動機、結構、控制和增壓輸送等主要系統在復雜飛行環境中的可靠性，此次飛行通過了全箭上升段最大動壓點，其一級飛行段的結構、控制、增壓輸送系統的正確性和可靠性得到初步驗證。其星艦軌道飛行試驗示意圖如圖1所示［1］。

圖1 星艦軌道飛行試驗示意圖［1］Fig.1 Schematic diagram of starship orbital flight test［1］

2 超重-星艦方案演進

超重-星艦（Heavy-Lift Starship）是美國太空探索技術公司（SpaceX）在2016年提出為“移民火星”“使人類成為多星球物種”等偉大遠景研制的重型太空運輸系統，具備完全重復使用和超大的運載能力，可執行近地軌道、月球、火星甚至更遠軌道的商業航天發射任務。

經過7年10輪以上方案迭代，超重-星艦系統高約120 m，起飛總重約5 200 t，起飛推力約7 600 t。一次性狀態近地軌道運載能力250 t，兩級重復使用狀態近地軌道運載能力150 t，下行返回載荷能力50 t。基礎級“超重”火箭高約70 m，直徑9 m，推進劑加注量為3 400 t，安裝33臺“猛禽”液氧甲烷發動機；星艦高50 m，直徑9 m，設6臺“猛禽”液氧甲烷發動機，3臺海平面型和3臺真空型［2］。星艦的演變過程如圖2所示［3］。

圖2 星艦的演變過程［3］Fig.2 Evolution of starship［3］

超重-星艦系統采用獨特的返回飛行模式：超重返回類獵鷹9模式，返回發射臺機械臂捕獲回收；星艦返回采用航天飛機+類似一子級垂直著陸返回相結合模式，返回發射臺由機械臂捕獲回收［4］。

3 超重-星艦應用模式分析

星艦的功能與任務覆蓋了目前近地、高軌、深空、載人等近乎全部的航天運輸任務，應用范圍主要由1 h全球抵達運輸、天地往返運輸和空間轉移運輸等3類系統組成，具有重復使用、智能化等技術特征。

3.1 洲際戰略投送

2021年5 月美國空軍公布在2022財年的科學與技術戰略中將提供4 790萬美元給SpaceX星艦項目，用以實現1 h內全球點對點100 t有效載荷戰略投送的預先研究工作［5］。

美國空軍全球1 h投送的概念來源于SpaceX公司對星艦的主要功能定位之一：地球上城市間的點對點航班洲際運輸設想。在其設想中，地球上最遠距離的兩個城市，在空中飛行的時間不會超過1 h。星艦全球1 h洲際運輸概念示意圖如圖3所示［6］。

圖3 星艦全球1 h洲際運輸概念示意圖［6］Fig.3 Starship’s intercontinental transport concept （1 h）［6］

對“星船”1 h全球投送進行反演計算，星艦具備60 min內從美國本土起飛，將百噸戰略物資投送至亞太的能力，但1 h內實現投送至全球的任意角落（航程20 000 km），最大飛行速度、最大過載等參數將大大超出現有飛行包絡約束。具體如圖4和圖5所示。

圖4 星船主動段在馬赫數Ma=5.0、迎角α=60°時流場壓力和馬赫數分布云圖Fig.4 Contour of pressure and Mach number distribution for starship active section at Ma=5.0 and α=60°

圖5 舊金山-東京的彈道仿真Fig.5 Ballistic simulation from San Francisco to Tokyo

雖然火箭運輸在飛行速度上優勢明顯，但考慮火箭推進劑的物理特性、加注需求和加注時間、貨物裝載方便性等因素，與成熟的航空運輸相比，目前火箭作為常規運輸工具的整體效率和效益偏低。綜合分析，星艦作為洲際戰略投送，僅適用于非戰場條件下的應急戰略補充。

3.2 軌道運輸

星艦本質上是航天飛機和獵鷹9火箭技術迭代更新的新一代產品，在民用和軍用方向均有較高的應用價值。

1） 民用方面

① 星座組網發射：星艦可以一次性發射400顆星鏈衛星，相比于獵鷹9一次60顆的發射能力，將極大提升星鏈項目組建效率，如圖6所示［7-8］。

圖6 星鏈發射示意圖［7-8］Fig.6 Schematic diagram of starlink launch ［7-8］

② 超大型衛星發射：星艦超大的整流罩容積和運載能力，為研制和發射超大型衛星提供了可能，這類超大型綜合衛星，是未來在軌加注、軌道服務、軌道清理及其他綜合技術的基礎，有較大的發展前途。

③ 空間站建設和補給：星艦的整流罩容積、直徑和運載能力，極為適合發射大型的空間站艙段，由于其上行和下行能力較強，可為空間站進行低成本的高效補給，為空間站的科研設備和生活提供更有力的支撐。如圖7所示［9］。

圖7 空間站建設和補給示意圖［9］Fig.7 Schematic diagram of space station construction and resupply［9］

④ 回收/維修衛星：星艦可以從軌道帶載荷回地球，類似航天飛機曾經抓捕衛星回地球修理后再發射，或直接在軌道上對衛星進行維修或加注，對于一些高價值衛星有不小的吸引力，未來衛星的應用模式也可能會隨之發生變化。

2） 軍用方面

① 發射大型軍事衛星：星艦的超大運載能力和整流罩空間，可以發射大型的軍事衛星，將目前的偵察、預警等分散功能衛星集中起來，更有效提升反應和作戰效能，對于提升改善全球導彈防御系統有較好的效果。

② 發射大型武器平臺：空間攻防武器的能力，極大依賴于載荷平臺的在軌、變軌機動能力和武器載荷的大小，對平臺本身的大小和重量要求較高，星艦可提供極佳的運載能力和包絡空間條件。如圖8所示［7］。

圖8 發射大型衛星或大型空間武器平臺［7］Fig.8 Launch of large satellites or large space weapon platforms［7］

③ 空間操作載荷平臺本身：星艦超大的體積容量和返回地球能力，存在抓捕對方衛星或空間武器回地球的可能。

④ 空間戰略武器平臺：利用星艦的能力和空間，攜帶近百噸的各類武器，再利用星艦的在軌和變軌能力，可實現全球化全天候快速打擊，在戰略值班時期，星艦可以交替返回地球，相比于傳統三位一體的核打擊模式增加了一個新的選擇。如圖9所示。

圖9 星艦作為戰略武器平臺示意圖Fig.9 Schematic diagram of starship as a strategic weapon platform

3.3 載人登月

目前SpaceX以星艦為基礎的登月方案先后拿下了NASA的CLPS供應商資格和HLS飛行測試與演示驗證任務。數艘星艦在實現載人著陸任務時具有不同的目的，但每艘星艦都基于通用的星艦設計。符合NASA載人評級的星艦將首先發射到低地球軌道，與用于推進劑儲存的星船對接并接受推進劑加注，隨后繼續飛往月球軌道。

目前而言，星艦作為登月著陸器效率并不高，根據星艦的參數以及登月所需速度增量反算，星艦構型要實現載人登月（兩輛月球車，乘坐8人，重量按11.6 t計算），星艦在軌總加注量為1 754 t，需要14次發射補給才能實現星艦的月面著陸。未來深空探測，二子級需要對不銹鋼材料進行更換。相關研究如圖10［9］、圖11、表1所示。

表1 載人登月不同軌道速度增量分析Table 1 Analysis of different orbital velocity increments for manned lunar landing

圖10 星艦在月表起降示意圖［9］Fig.10 Schematic diagram of starship taking off and landing on lunar surface［9］

圖11 登月示意圖Fig.11 Schematic diagram of lunar landing

4 超重-星艦技術特點分析

超重-星艦的成功應用，將突破運載火箭固有的設計理念，在整箭工程、多發動機并聯、高性能發動機、超大箭體的GNC、返回熱防護、復雜剖面推進劑管理、原位發射與回收等方向取得歷史性突破。

4.1 整箭工程技術

運載火箭發展歷經3個時期，第1個時期以任務需求為牽引，有什么任務研制什么火箭；第2個時期以能力為驅動，根據已有任務研制能力梯度覆蓋的運載火箭；第3個時期以市場需求和重復使用為目標發展運載火箭（獵鷹9）。超重-星艦研制不屬于以上3種模式，其以載人登火夢想構型為指引，通過持續迭代發展兩級重復使用運載火箭，沒有任務牽引，沒有能力驅動，沒有市場需求。

4.2 全流量補燃循環液氧甲烷發動機技術

超重和星艦采用的“猛禽”液氧甲烷發動機，為世界上第一型工程應用的閉式全流量分級燃燒循環發動機，如圖12所示［10］。該燃燒循環方式包含兩個預燃室，富燃預燃室驅動燃料泵，富氧預燃室驅動氧泵，氧化劑和燃料以氣態進入燃燒室，使得燃燒更加充分，閉式全流量分級燃燒具備以下特點：

圖12 “猛禽”發動機示意圖［10］Fig.12 Schematic diagram of Raptor engine［10］

1） 高性能。把所有推進劑均轉化為燃氣用于渦輪做功；推力室氣氣燃燒效率高。

2） 推力室燃燒穩定性好。氣氣燃燒穩定。

3） 密封相容性好。富氧、富燃兩套單獨的發生器渦輪泵系統，渦輪和泵之間相容性好，無需不同推進劑泵之間的組合式密封。

4） 系統復雜。組件多，系統匹配、調節、起動控制難度大。

5） 總體布局復雜。組件多、流路復雜、雙燃氣路。

6） 推力室冷卻難度大。氣氣噴注器冷卻。

“猛禽”發動機一直在進行技術改進，燃燒室室壓從25 MPa提升到了30 MPa；推力由185 t提升到230 t；發動機質量由2 t降低為1.6 t。9 m直徑放了33臺發動機，實現了超大的面推比［11］。

4.3 中等升阻比的有翼錐柱體返回氣動預示與控制技術

星艦再入返回采用低質阻比有翼外形設計，與傳統航天飛機的返回方式不同，星艦再入時末端速度比較低，前后翼面在小、大攻角下均能實現對艦體姿態的有效控制，通過變攻角飛行，增加橫向和縱向控制能力，提高落點精度，通過舵和雷達散射截面（RCS）以實現制導和姿態穩定控制。

星艦中等升阻比氣動布局考慮了外形包絡、最大升阻比、最大橫縱機動距離、容積效率、峰值過載、峰值動壓、操穩特性、駐點熱流及溫度等多種約束，再入過程速度覆蓋馬赫數0～25，迎角約0°～40°，如此大的飛行包線，給控制技術提出嚴峻挑戰。如圖13所示［12］。

圖13 星艦氣動特性仿真［12］Fig.13 Aerodynamic characteristics simulation of starship［12］

4.4 超大箭體垂直起降導航制導與控制技術

超重返回飛行剖面復雜，外力作用復雜，超重火箭取消了著陸緩沖機構，采用新型發射塔架機械捕獲回收技術，對在線導航制導與控制技術提出了更高的要求，如圖14所示［13］。超重火箭配套的柵格舵在高速飛行中具有良好的氣動性能，能提供穩定控制力，輔助超重再入過程中姿態穩定控制。飛行剖面中按照調姿、減速、再入、著陸等不同飛行階段的控制需求和特性，通過不同執行機構的有效配合，完成精確著陸控制。

圖14 發射臺和發射塔架機械捕獲示意圖［13］Fig.14 Mechanical capture schematic diagram of launchpad and launch tower［13］

4.5 新型發射回收技術

超重-星艦采用無導流槽發射技術，降低對發射場的建設要求；采用發射塔架機械捕獲式的方式，降低對著陸緩沖系統的研制難度，提升火箭運作周期。

4.6 快速檢測及可更換的軌道級返回大熱流防護技術

星艦再入時以60°傾斜的姿態及25倍聲速的超高速度進入大氣層，再入時速度高、動壓大，其熱流條件與航天飛機一致［7］。返回過程中，箭體將承受上千度的熱沖刷，星艦采用的不銹鋼材料承受的高溫在800 ℃以上，背風面可以在沒有任何附加熱防護的情況下完好撐過再入過程。星艦防熱系統采用X-37B成熟應用的整體增韌抗氧化陶瓷隔熱瓦，該防熱結構與不銹鋼結構栓接，連接可控，更換簡潔。如圖15和圖16［12］所示。

圖15 星艦防熱材料Fig.15 Heat shield materials for starship

圖16 星艦熱環境預示分析［12］Fig.16 Thermal environment prediction analysis of starship［12］

4.7 復雜剖面推進劑管理技術

星艦著陸前存在大角度姿態機動箭體快速拉直的飛行工況，此時推進劑處于淺箱狀態，將大量存在氣液混合現象，如圖17所示［10］，推進劑晃動幅度也達到20%以上，SN多次飛行失敗主要原因就是推進劑管理的原因。傳統的推進劑管理方案無法滿足其再入著陸的工況需求，星艦采用小貯箱的推進劑管理模式，在返回再次點火前，先通過小貯箱實現發動機點火，之后切換回大貯箱，如圖18［9］所示。

圖17 星艦推進劑晃動情況［10］Fig.17 Sloshing conditions of starship propellant［10］

圖18 Headtank推進劑管理方式［9］Fig.18 Management approach of Headtank propellant［9］

5 超重-星艦對航天產業的影響

運載是航天活動的基礎，是撬動整個航天產業的支點，運載費用的大幅下降，對整個航天產業的溢出效應極其明顯，航天產業技術及應用迭代速度將大大加快，影響到航天系統的方方面面。

1） 星艦實現航班化運輸后，航天發射效率大幅提高和成本大幅降低。根據SpaceX介紹，“超重-星艦”運載器設計重復使用次數在50次以上，復用周期一天，可將進入地球軌道的費用降低到1 000美元/kg甚至更低，航天運輸的發射效率和價格將徹底改變。

2） 航天產業的生產制造模型將發生顛覆性的變化。例如在星鏈星座的建設中，星鏈在俄烏沖突中表現優異，但4.2萬顆星鏈的衛星發射任務對運載的挑戰極大，如采用星艦僅需要105次發射，理想狀態僅需生產3枚運輸器即可完成整個衛星網絡的部署，極大降低運載火箭的生產制造壓力。

3） 航天產業的產值將大幅提高。根據美銀美林集團（Bank of America Merrill Lynch）的測算，到2050年，整個太空產業的產值將達到30萬億的級別。星艦的出現，是建立整個航天產業新生態的關鍵，運載效率的提升和運載費用的下降，將顛覆整個航天產業的應用模式，快速推動空間技術的迭代更新。

6 超重-星艦對中國航天產業的啟示

1） 加快培育創新和風險投資的適宜環境

SpaceX崛起源于創新和風險投資。工業革命以來的創新和風險投資不僅指技術創新和現代意義上的投資機構對初創企業的支持，它是一切對創新和創業活動進行支持的機制，它是一個國家和社會具有挑戰與質疑傳統和權威的氛圍，具有接納與包容新思想、新產品和新模式的能力。

遵循“科技創新、自立自強”的要求，持續改革開放，動員市場的力量，鼓勵企業家精神，加大研發投入，鼓勵各種風險資本投資于中國亟需的技術和產品，探索和完善一個與中國國情相適應的風險投資市場，支持自主創新。

2） 加強對航天運輸的投入和政策引導

航天、芯片、軟件等高科技產業是國家之間的產業競爭，事實上不僅取決于企業的創新能力，也取決于政府對牽引技術的預見能力及支持力度。航天運輸早期階段是一個創新風險極大，回報率極低的產業，需要政府在前期提供政策條件，承擔部分技術創新的早期風險，吸引企業投身技術集成創新的應用。進一步細化、落實對航天產業發展的政策，指引航天技術發展的方向，去壟斷、促競爭，實現整個國家航天領域的經濟增長與科技進步。

3） 推動運載火箭研制體系的迭代升級

不同于汽車和航空產業的大規模市場需求驅動，運載發射僅占整個航天產業的1.5%～2%，產出效益低使得發射費用高，產品服役周期長，迭代更新緩慢。但運載是進入空間的入口，運載迭代的緩慢導致整個航天產業發展受限。

SpaceX引入產業互聯網重塑運載火箭的研制流程，采用多次“設計、開發、試錯”的研發模式。打破火箭研制由幾百家工程協作的體制變為一家單位包攬 80%研發，電氣、控制、材料等對接大市場模式，通過風險投資的預期盈利驅動，大力發展星鏈等應用業務強力驅動運載火箭迭代發展，目前已實現整個研發、應用、盈利、估值的正循環，其資本利用的效率遠高于傳統航天企業。

隨著未來航天產業的蓬勃發展，必須打破現有火箭產品利潤驅動成長模式。建議以軍民需求為牽引，衛星應用投資來推動運載火箭研制理念的快速選代升級，大力推動領域融合，構建軍民共用的商業閉環模式，引領企業復利穩定增長，實現技術的最終跨代。