“超重-星舰”火星殖民有戏吗？

文/ 刘博 吴昊

▲ 箭体总装完成的SN5 和SN6 星船样机

▲ 猛禽发动机海平面型（左）和真空型（右）

2020 年，美国太空探索技术公司在不断加快“超重-星舰”运载器的研制迭代和试验步伐，成功利用代号为SN5 和SN6 的两台“星舰”全尺寸样机进行了两次150 米低空起降飞行试验，还正式启动了“超重”的研制工作。这意味着曾经看似“疯狂且不切实际”的“超重-星舰”已不再是马斯克PPT里的展示品，也不是2019 年露天制造的外表坑洼的铁皮罐头，入轨试验已不再遥遥无期，载人探火甚至殖民火星的目标也又更近了一步。

新商业航天时代来临

进入21 世纪以来，美国在航天预算相对紧缩的形势下，为减少政府开支、提高技术发展效益，大力推动商业航天发展，2010 年《国家航天政策》提出利用商业航天产品和服务满足政府需求，促进政府采购商业服务；2013 年《国家航天运输政策》倡导政府与商业企业合作，发展近地轨道商业航天运输能力；通过出台《航天现代投资法》《商业航天法》《商业航天发射竞争力法》等一系列配套政策，为航天发射产业提供越来越完善的政策土壤。在此背景下，成立于2002 年的太空探索技术公司得以通过美国宇航局“商业轨道运输服务计划”获得资金、技术及基础设施等全方位支持，而快速发展壮大，成功研制并发射猎鹰9 运载火箭及货运“龙”飞船，并以降低发射成本为目标攻关运载火箭重复使用技术。2016年，随着太空探索技术公司运载火箭重复使用技术逐渐取得突破，该公司提出低成本重型可重复使用运载器研制计划以及火星殖民远期愿景。

▲ “超重-星船”概念图

很马斯克的“超重-星舰”方案设想

“超重-星舰”为两级构型运载器，火箭和飞船各占一级，总高120 米，起飞质量5000 吨，近地轨道运载能力100 吨，可从陆地发射场或海上发射平台发射，两级均具备基于“猎鹰9”第一级发展而来的垂直起降重复使用能力。运载器的第一级命名为“超重”火箭，高70 米、直径9 米，安装31 台“猛禽”液氧/甲烷发动机，起飞总推力达62000 千牛；箭体结构全部采用高强度轻质不锈钢材料，上部外侧装有4 个菱形栅格舵，发射时处于收拢状态，回收时展开用于控制箭体姿态，下部外侧装有六个翼型支脚，用于回收时进行气动控制及着陆时支撑箭体。

运载器的第二级命名为“星舰”飞船，融合了火箭上面级与飞船功能，包括载人型和载货型两种，高50 米、直径9 米，安装6 台“猛禽”液氧/甲烷发动机，总推力12000 千牛。载人型最多可乘坐100 人；载货型的载荷舱容积1100 立方米，可发射最大载荷质量100 吨，可装载各类卫星、大型空间设施及空间站货物。“星舰”结构也采用不锈钢材料，上部外侧装有两个鸭翼，下部外侧装有两个尾翼、内侧装有6 个可展开支脚，上下气动翼用于在大气飞行中进行箭体气动控制和姿态调节，可展开支脚用于着陆时支撑箭体。

▲ “星船”全尺寸样机实物图（左）

所有设计都是为了低成本、可复用

“猛禽”发动机。“超重-星舰”的“猛禽”发动机采用液氧/甲烷推进剂，此类推进剂具备无毒无污染、成本低廉的特点，发动机用后维护方便、便于多次重复使用，且火星上存在大量二氧化碳资源、便于原位开采制备甲烷；采用全流量分级燃烧循环，拥有双泵和双预燃室，燃烧室压强高达30 兆帕，发动机推力达到2000 千牛，真空和海平面比冲分别达到380 秒和330 秒；具备一定节流能力，可在火箭发射中调整推力降低气动载荷，并满足火箭回收降落的减速需求。

304 不锈钢箭体。“超重-星舰”的贮箱和箭体结构均采用304L 不锈钢材料，其成本低廉，每千克价格仅3美元，远低于每千克200 美元的碳纤维材料。不锈钢在低温时强度高，比强度可达到甚至高于铝锂合金，且熔点高达1480 摄氏度，是铝锂合金熔点的两倍以上，从而保证箭体结构强度并使箭体具备良好的热防护能力。基于不锈钢材料特性研制的特殊发汗冷却热防护系统，可使箭体无需大面积粘贴额外的热防护材料，降低运载器干重的同时还进一步提升了复用便捷度。

与“猎鹰9”一脉相承的研制理念

太空探索技术公司于2016 年首次提出“星际运输系统”设计方案，研发预算超过100 亿美元；2017 年，因“星际运输系统”方案过于超前、研制难度过大，提出了“超重猎鹰火箭-超重猎鹰飞船”，将运载器尺寸缩小，发动机数量和运载能力也随之减少；2018年，提出“超重-星舰”，对运载器设计方案进一步优化，箭体长度加长，箭体材料由碳纤维复合材料改为不锈钢，研发预算也降至20 亿～30 亿美元，此后正式进入研制阶段。

太空探索技术公司采取类似“猎鹰9”一子级重复使用技术攻关途径，先研制演示验证机再转入样机研制。2018 年9 月开始研制直径9 米、高39米、装有1 台“猛禽”发动机的“星虫”演示验证机，并在2019 年4 月～8 月进行了3 次点火飞行试验，最大起飞高度达到150 米，验证了“星虫”的悬停性能、“猛禽”发动机的推力矢量控制和姿态喷管控制能力以及其他子系统性能。2019 年11 月开始对装有1台“猛禽”发动机的“星舰”全尺寸样机进行试验，通过在得克萨斯州和佛罗里达州的两个生产基地并行制造的方式提高研制和试验效率，并进行设计迭代；制造了不同功能的样机，分别开展了贮箱加压、低温推进剂加注和发动机静态点火试验，部分试验为极限破坏性试验。

2020 年8 月和9 月，第5 台和第6 台编号分别为SN5、SN6 的样机成功实现低空起降飞行试验，最大飞行高度均达150 米，进行了空中悬停、推力矢量控制、反推软着陆等主要操作，验证了其结构、材料及“猛禽”发动机的性能水平。代号SN8 的“星舰”全尺寸样机，安装了3 台“猛禽”发动机，还会加装气动翼、鼻锥等组件，进行了12.5 千米的起降飞行试验，后续还将会把高度提升至100千米的亚轨道，不断迭代各分系统设计，进一步提升技术成熟度。

此外，太空探索技术公司还在2020 年5 月获得美国宇航局1.35 亿美元的载人月球着陆器概念研究和初始研发合同，研发专用于登月的“超重-星舰载人着陆系统”。该系统与普通“超重-星舰”的差异在于其“星舰”取消了鸭翼、尾翼和热防护层。公司将于2021 年2 月提交详细设计方案参加下一轮竞标，有望为阿尔忒弥斯载人登月计划提供支撑。

“超重-星舰”任重而道远

或将成为航天运载器发展的风向标

“超重-星舰”运载器的最终目标是实现人类殖民火星，其设计思路以满足大批量载人、大容量载货、低成本多次地火往返飞行的需求为目标，在深空载人探索运载器领域作出了大胆探索，一旦实现，将对航天运载技术发展带来深远影响。

在运载器总体设计方面，打破火箭和飞船的系统壁垒及火箭+飞船的设计模式，发展箭船融合且多功能的“星舰”，大幅提升载人、载货容量。

在动力系统方面，区别于以美国宇航局“航天运输系统”为代表的重型火箭采用少量大推力发动机及固体助推器的传统构型，“超重”采用多达30余台发动机并联设计，形成超大推力和高冗余特性，且可批量化制造发动机和重复使用来降低成本。

在重复使用能力方面，“超重-星舰”是完全重复使用系统，采用的甲烷推进剂可通过火星原位资源制备实现无限使用，解决了星际往返推进剂补给问题，并有望将发射成本降至200万美元，比当前发射价格低一个量级。

在发射/回收方式方面，通过研发海上发射/回收平台，提升运载器发射及回收的灵活性，摆脱传统陆地发射场的地点、射向、安全性等限制，拓展其航天发射应用范围，并可不断验证恶劣环境下的高精度、高可靠发射/回收技术，为在火星的恶劣环境中开展发射/回收奠定基础。

“超重-星舰”运载器代表着一种全新的航天运载器设计理念，有望与升力体式两级/单级入轨可重复使用运载器一起，引领可重复使用航天运载器发展方向，成为未来人类航天运载器的重要补充力量。

▲ “星舰”载人型（左）和载货型（右）概念图

包揽从地球到深空的各种任务

基于太空探索技术公司以往火箭和飞船的研制改进路线判断，“超重-星舰”运载器不会一步到位实现载人探火，而是将通过地球轨道等发射任务不断迭代改进自身设计，提升关键技术成熟度。因此，“超重-星舰”运载器在应用初期，有望以其百吨级运载能力、通用化设计构型、可重复使用特性，开展多样化发射活动。

在地球点对点运输方面，“超重-星舰”实现快速复用后，通过其海上发射/回收平台，可从世界各地灵活地起飞和着陆，发展为地球点对点载人交通运输工具，在半小时内从美国直达全球任意地点。

在载荷发射任务方面，“超重-星舰”近地轨道和同步转移轨道运载能力分别达到100 吨和21 吨，载荷舱整流罩直径达9 米，是人类有史以来研制的运载器中最大的载荷舱，可助力美国月球“门户”大型空间设施建设，还可加速“星链”等卫星星座部署进程。

在月球探索方面，“超重-星舰”一次发射最远可达到月球轨道，实现月球轨道站运输补给，未来还将具备在轨加注能力，分别发射只携带推进剂的“星舰”和载人“星舰”，在近地轨道对接加注后，飞往月球以远的深空。

▲ “星舰”总装大楼

▲ 星舰SN5 点火

技术跨度大也伴随着潜在风险

“超重-星舰”与现役火箭相比性能先进，但技术跨度较大，存在潜在风险，仍需持续投入研制力量和资金攻关关键技术。

在重复使用技术方面，猎鹰9 火箭一子级复用技术较为成熟，为“超重”火箭复用技术研发降低了难度，但“星舰”需从轨道返回，再入速度更快，其姿态控制和热防护系统面临更严峻的考验。

在系统安全性方面，箭船融合的“星舰”虽然具备更强的运输能力，但乘员舱紧邻火箭推进剂贮箱，没有独立的逃逸系统，且回收时没有备份降落伞，一旦发生突发情况难以保障乘员安全。

在“超重-星舰”结构材料方面，虽然采用不锈钢具备诸多优点，但使用不锈钢建造大直径贮箱及箭体结构对工艺要求较高，太空探索技术公司在不锈钢贮箱加压试验中多次失败，技术尚未成熟。

总之，“超重-星舰”作为太空探索技术公司的下一代航天运输系统，可进一步扩充其运载器型谱，提升其航天运输能力，形成从近地到深空，从卫星发射到载人航天全覆盖的发射能力；还可以低成本、大运力优势，在美国重返月球等深空探索项目中充当政府“航天发射系统”重型火箭的补充力量，提供备份发射选择，及货运、载人等发射服务，加速美国对地外星体资源的抢占和控制；此外，“超重-星舰”将使美国的近地轨道商业化服务向地球轨道以远延伸，有望为他国科学机构和个人提供深空技术验证、深空旅行、深空旅居等机会，加速美国及其盟国航天技术水平发展进程。

“星际运输系统”“超重猎鹰火箭-超重猎鹰飞船”“超重-星舰”运载器方案对比

▲ 星舰SN5 试飞

同时也应看到该运载器的研制需要持续投入大量资金、不断进行技术验证，只有利用该运载器的多任务适应性吸引到地球点对点商业运输、地球轨道商业发射或载人登月等任务合同资金，并成功开展发射活动，形成技术研发与商业运营的良性闭环，才有望逐步提升“超重-星舰”的技术成熟度和可靠性，降低载人航天及深空探索门槛，最终实现殖民火星的目标。