SpaceX星舰设计演变简史（上）

本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷，题图来自：视觉中国

美国太空探索技术公司（SpaceX）正在研制的、完全可重复使用的星舰（Starship）和超重（Super Heavy）系统代表了一种完全可重复使用的航天运输系统，旨在将乘组人员和货物运送到地球轨道、月球、火星及更远太空。星舰（Starship）和超重（Super Heavy）系统计划成为有史以来最强大的运载火箭，设计地球轨道运输能力将超过100t。该系统最早于2012年曝光，并于2016年正式公开，历经数年迭代，终于在2021年基本定型。

最初，该系统称为“火星殖民运输器”（MCT），后改称“星际运输系统”（ITS），中途又有代号“BFR”（推断为“大猎鹰火箭”），最后定名为“星舰”（Starship）。该系统演变图如下，但不包括未公布细节的MCT概念。该系统设计从最初的大改，到最近的小改，在指标和技术之间逐步平衡，使概念逐步走向现实，其研发理念与设计迭代值得复盘研究。

星舰（Starship）设计不完全演变（图源：Kimi Talvitie）

火星殖民运输器（MCT）

2012年11月16日，SpaceX首席执行官马斯克在英国皇家航空学会演讲时首次公开陈述了其火星殖民架构，在随后的采访中暗示了MCT的存在，同时还首次确认用于火星殖民的火箭系统采用猛禽（Raptor）液氧甲烷发动机。

2013年6月6日，马斯克首次公开确认MCT是“火星殖民运输器”（Mars Colonial Transporter）的缩写。

在2015年1月2日公开的报道中，马斯克在疑似2014年4月的采访中表示，MCT推力可达1500万磅（约6804t）。

2015年1月5日，马斯克表示，MCT计划从扩大猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭规模转变为单一助推器（芯级），MCT计划拥有更高的比冲发动机——380s（海平面）、345s（真空），而每台发动机的推力略高于230公吨（~500klbf），并在不断优化。

2016年9月16日，马斯克表示，事实证明MCT可以远远超出（飞向）火星（的能力），因此需要一个新名称……

星际运输系统（ITS）

2016年9月27日，马斯克在第67届国际宇航大会（IAC 2016）上公布了太空任务架构、火箭助推器、飞船和为飞行器提供动力的猛禽发动机的细节。

马思克指出实现火星任务的四大要素：

• 全复用（航天器）

• 在轨加注（燃料）

• 火星上推进剂生产

• 正确的推进剂（选择）

其中在轨加注方面，如果不采用在轨加注就要造一枚三级火箭，意味着5~10倍的大小和造价，而将所需推力能力（注：指推进剂）分批次运输会大幅降低研发成本、缩短时间表;结合可复用性，在轨加注使（系统）性能不足成为增量，而不是指数级的成本增加。

2016年9月公布的SpaceX星际运输系统（ITS）火星任务概念动画

火星飞行器的部分组件配置数量均为3，包括火箭助推器内置伸缩式着陆腿、栅格翼、尾翼，以及飞船内置伸缩式着陆腿。此外，（载人版）飞船在与油轮版飞船在轨并排完成推进剂加注后即刻前往火星，途中部署一对超大型太阳翼（太阳能电池板），功率可达200kW。

2016年9月公布的ITS航天器设计剖面图

ITS太空架构，即载人火星登陆任务架构，如下图所示，其中ITS助推器计划复用1000次，油轮版飞船计划复用100次，（载人版）飞船计划复用12次。需要注意的是，只有从地球表面前往火星需要用火箭助推器把飞船送入低地球轨道（LEO）并在轨加注推进剂，而从火星表面返回地球仅使用飞船即可。

2016年9月公布的ITS火星任务架构

飞行器设计与性能方面，首先是碳纤维主结构、增稠的液氧甲烷推进剂、自生增压，且LEO运力远超美国土星五号运载火箭的135t，达到550t。两型火箭主要参数指标对比如下表所示。

图表：火星飞行器与土星五号主要参数指标对比

资料来源：SpaceX

其次，火星飞行器采用一款SpaceX自研的液氧甲烷发动机——猛禽发动机，分为海平面（SL）、真空型两个版本，具体设计参数指标如下表所示。

图表：2016年9月公布的猛禽发动机参数指标

资料来源：SpaceX

2016年9月27日公布的猛禽发动机概念图

火星飞行器分为两级，其中一级为火箭助推器（Rocket Booster），二级为星际飞船（Interplanetary Spaceship），具体参数配置如下表：

图表：2016年9月公布的火星飞行器两级配置

资料来源：SpaceX

火箭助推器任务流程大致如下：

• 火箭助推器将飞船加速到分级速度，分离时速度为8650km/h（5375mph）。

• 火箭助推器返回着陆点，使用其推进剂总质量的7%用于其返回和着陆。

• 栅格翼引导火箭助推器穿过大气层后精确着陆。

2016年9月公布的火箭助推器（左）概念图、飞船（右）设计剖面图（未按比例缩放）

火箭助推器发动机布置为外圈21台、内圈14台、中央7台（1+6），外层发动机固定在原位，只有中心的发动机为集群框架（cluster gimbals）。

2016年9月公布的火箭助推器发动机配置图

火星和地球抵达主要涉及以下几个方面：

• 飞船从星际空间进入大气层，要么捕获后入轨，要么直接着陆;空气动力提供了大部分的减速，然后3台中心的猛禽发动机执行最后的着陆点火。

• 利用其气动升力能力和先进的隔热材料，飞船可以从火星上超过8.5km/s、从地球上超过12.5km/s的再入速度开始减速。

• 再入期间，过载（以地球为参考）在火星上约为4~6g、在地球上约为2~3g。

2016年9月27日公布的ITS星际飞船再入仿真示意图

隔热是在SpaceX龙系列飞船上使用的PICA（酚醛浸渍碳烧蚀材料）系列隔热材料的能力范围内;PICA 3.0对二代龙飞船/载人龙飞船的改进，增强了SpaceX只需要很少维护即可多次使用隔热罩的能力。

由于采用全复用硬件，该整体架构使得前往火星的成本显著降低。

图表：火星载人任务成本预估分析

（注：推进剂成本168美元/t，推进剂总成本6200万美元;发射场费用20万美元/次;货运450t;贴现率5%）资料来源：SpaceX

综上，去火星的成本<14万美元/t。

2016年9月公布的火星飞行每千克成本随飞船飞行寿命（复用次数）变化预估曲线

此外，该项目资助计划来自卫星发射、将货物和宇航员送往国际空间站、众筹网站Kickstarter、（SpaceX公司）利润等。而2016年开始的系统研发规划如下图所示，具体为：

• 2016年开始推进系统研发、结构研发;

• 2018年中旬开始飞船测试;

• 2019年中旬开始火箭助推器测试;

• 2020年年初开始轨道测试;

• 2022年下半年开始火星飞行任务。

2016年9月27日公布的火星任务时间线

最后，马斯克展示了猛禽发动机的点火测试以及碳纤维推进剂储罐的完工图，并同时构想了该系统架构前往木星、土卫二、木卫二、土星的愿景。

2016年9月25日公布的猛禽发动机点火试验

在IAC 2016召开前，SpaceX完成首个碳纤维推进剂储罐的制造并完成了低温推进剂测试，结果令人满意，并未发现任何泄漏和其他重大问题。

2016年9月公布的碳纤维推进剂储罐

大猎鹰火箭（BFR）

2017年7月，ITS代号正式更为BFR，全称可能为“大猎鹰火箭”（Big Falcon Rocket）。

2017年9月29日，马斯克在第68届国际宇航大会（IAC 2017）发布了BFR的最新设计，并阐述了如何资助该项目发展。

其更新的设计利用了一个更小的飞行器，虽然仍然很大，但其实是一个可以进行更多地球轨道活动所需一切的独立飞行器。本质上，使其目前的飞行器设计变得多余/不需要。SpaceX希望有一个系统——1枚助推器和1艘飞船——来代替猎鹰9号、猎鹰重型和龙飞船。如果能做到这一点，那么所有用于猎鹰9号、猎鹰重型和龙飞船的资源都可以应用到上述系统中，而这很重要。

2017年9月公布的BFR概述

该项目过去一年（2016~2017）的进展主要包括碳纤维推进剂储罐和猛禽发动机的测试等。

首先是深低温液氧储罐，直径12m，体积1000立方米，远超一架A380飞机的容量,可容纳1200t（注：可能为“短吨”）液氧。SpaceX为此开发了一种新的碳纤维基材，比以前任何材料都更坚固、在低温下更是性能更优。SpaceX成功地将上述储罐测试到设计压力，然后再进一步（加压），按计划加压到2.3个大气压后破裂。在海面上测试时，该储罐飞到约300ft（约91m）的空中后落到海里。SpaceX表示已经掌握如何制造一个巨型的低温储罐。

2017年9月公布的深低温液氧储罐测试

其次是发动机方面。猛禽发动机计划成为有史以来建造的所有发动机中推重比最高的发动机。截至到发布会当天，其已经在42次发动机测试中进行了1200s点火试验，受限于测试场储罐大小，单次最长点火测试时间仅达100s；而设计中用于火星着陆的点火持续时间约为40s；测试发动机已在200个大气压或200bar（20MPa）下运行，飞行版发动机计划在250bar（25MPa）下运行，而最终可能会达到300bar（30MPa）以上。

2017年9月公布的BFR与SpaceX现有火箭型号尺寸及运力对比

关键技术——推进着陆方面，已完成的猎鹰9号最终着陆采用单发点火完成，而BFR上计划设计为多发（冗余）运行能力。SpaceX认为，如果能用单发达到非常高的可靠性，而且双发中任何一个均可用于着陆，其可以达到与最安全的商业客运飞机一样的着陆可靠性。同时，鉴于目前的高精准度，SpaceX计划在下一阶段将飞船设计为不需要着陆腿，而直接采用着陆到发射架/台上。

2017年9月公布的BFR飞船推进剂储罐设计

下一项关键技术是自动交会对接。为了给飞船在轨补加推进剂，（油轮版飞船）必须能够以非常高的精度与飞船交会对接并转移推进剂。

BFR和其他SpaceX运载火箭间可发射的有效载荷质量差距非常显著。由于BFR处于完全可复用的配置，在无在轨加注情况下LEO有效载荷运力为150t，而部分可重复使用的猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭约为30t。真正产生上述巨大差异的地方是成本。

BFR直径约为9m（30ft），助推器由31台猛禽发动机推进，产生约5400t推力，将总重4400t的BFR整体直接发射（入轨）。

图表：2017年9月公布的BFR两级配置

资料来源：SpaceX

2017年9月公布的BFR飞船结构概念图

BFR飞船尾部新增一对三角翼，主要是为了扩展BFR飞船的飞行任务。而这取决于飞船是着陆亦或是再入一个没有大气层、稀薄大气层或稠密大气层的行星或月球/卫星，取决于飞船头部没有有效载荷、少量有效载荷或大量有效载荷的情况下再入，因为必须在飞船再入时保持其平衡。该三角翼也包括一个用于俯仰和滚转控制的分离式襟翼，允许飞船控制俯仰角，无论飞船头部有效载荷的重量范围有多广，无论大气密度范围有多广。飞船设计时原本试图避免使用三角翼，但这是必要的，以便扩展/推广/普及飞船的能力，使其能够在太阳系的任何地方着陆。

2017年9月公布的BFR飞船加压区配置

BFR飞船上的猛禽发动机方面，全部6台发动机都能够使用万向节，即配置为矢量发动机。具有高扩张比的发动机（注：即真空型）设计有相对较小的万向节/矢量调节范围和较慢的万向节/矢量调节速率；2台中心（海平面）发动机设计有非常高的万向节/矢量调节范围和较快的万向节/矢量调节速率。飞船可用2台中心发动机中的任何一台完成着陆。当飞船着陆时，中心双发同时点火，但如果其中一台无论在任何时候出现故障，飞船可用另一台发动机成功着陆。每台发动机都有大量冗余（配置），因为SpaceX希望（飞船）着陆风险尽可能接近零。随着时间的推移，发动机比冲有可能增加5~10s，燃烧室压力也可能增加50bar（5MPa）左右。

图表：2016、2017年公布的猛禽发动机参数指标对比

资料来源：SpaceX

2017年9月公布的BFR飞船发动机配置

为了在轨加注，两艘BFR飞船实际上会在尾部对接。其计划采用与发射时连接助推器相同的对接接口。其设计为重新使用对接接口，并重新使用飞船在助推器上时使用的推进剂加注管线。为了转移推进剂，该过程变得非常简单——使用控制推进器向试图清空推进剂的方向加速，因为推进剂会同向（推进器点火后喷射方向）流动。全自动交会对接和在轨加注是最基础，可以使BFR一次性发射时150t的LEO运力，增强为150t火星货运运力。

2017年9月公布的BFR飞船在轨加注推进剂示意图

本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷