SpaceX 公司“超重-星舰”运输系统方案分析

焉宁 胡冬生 郝宇星（中国运载火箭技术研究院研究发展部）

近年来，美国太空探索技术公司（SpaceX）首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）提出的“超重-星舰”（Super Heavy Starship）运输系统方案，可实现两级完全重复使用，引发业界广泛关注。该系统主要执行未来月球探测及火星移民任务，还可应用于超大规模卫星星座、大型航天器部署等，另外还具备地球表面“点到点”人员运输的潜力。

1 发展历程概述

2016 年9 月，SpaceX 公司正式对外公布了“星际运输系统”（ITS），瞄准人类殖民火星以及星际探索。随后持续进行快速迭代，每年均进行一定程度的方案调整，逐渐演化成“超重-星舰”运输系统。2020 年3 月，SpaceX 公司正式发布“星舰”用户手册，描述该运输系统可实现两级完全重复使用，由“超重火箭”（推进级）和“星舰”（飞船）组成，旨在满足地球轨道以及月球、火星等运输任务需求。其中，“星舰”分为载人版和不载人版两种构型，不载人版有能力将卫星、大型天文台、货物、加油贮箱及其他资产运送到所需轨道。2020 年4 月，SpaceX 公司基于“星舰”改进的登月方案入选美国国家航空航天局（NASA）选定的三项载人登月着陆器方案之列，说明SpaceX 公司的方案在一定程度上获得了NASA 的认可。2020 年5 月，美国联邦航空管理局（FAA）商业太空运输办公室颁发给SpaceX公司为期2 年的发射许可证，允许从博卡奇卡基地（Boca Chica）执行亚轨道飞行发射，这是从政府层面给予“星舰”的有力支持。

2016-2020 年“超重-星舰”的主要变化

从2018 年开始，SpaceX 公司先后研制了3 个系列的试验样机并持续开展试飞工作，包括试飞样机“星舰跳虫”（StarHopper）、全尺寸原型样机Mk系列和SN 系列，不断改进生产工艺，并测试提升“猛禽”发动机性能。在2020 年5 月“载人龙”（Crew Dragon）飞船成功将2 名美国航天员送入“国际空间站”之后，马斯克号召SpaceX 公司员工将主要精力放在“星舰”的研制上，并计划2020 年底进行全尺寸原型“星舰”首次轨道级试飞。

2 总体方案及任务分析

总体方案

SpaceX 公司“超重-星舰”采用两级构型方案，火箭全长约120m，箭体直径9m，起飞质量5000t，低地球轨道（LEO）运载能力超过100t。一级“超重”安装31 台“猛禽”液氧/甲烷发动机，二级“星舰”安装6 台“猛禽”液氧/甲烷发动机，其中包括3 台海平面版和3 台真空版发动机，液氧/甲烷推进剂均采用过冷加注方式。

原型“星舰”测试情况（截至2020 年5 月）

其完全重复使用情况下LEO 运载能力初期仅能达到100t，但随着技术改进和升级，未来运载能力将提升到125 ～150t。如果不考虑重复使用，其LEO运载能力将超过200t。

任务剖面概述

“超重-星舰”的典型任务剖面如下：

1）载人版“超重-星舰”点火起飞，“超重”飞行结束后与载人版“星舰”分离，“超重”返回到发射点软着陆，实现可重复使用。“星舰”点火继续推进进入LEO 轨道，等待加注。

2）发射加注版“超重-星舰”，同样分离后“超重”返回发射点，加注版“星舰”进入LEO 轨道后与载人版“星舰”尾部对接，并实现液氧/甲烷的在轨加注，随后加注版“星舰”返回地球。

3）经过多次在轨加注后，装满推进剂的载人版“星舰”点火进入地火转移轨道，它将利用太阳能电池产生的能量维持飞船正常运行。

4）到达火星后，“星舰”采用气动捕获方式直接再入火星大气，并利用发动机推力进行最终减速，实现在火星表面软着陆。

5）在经过火星原位资源利用后，装满推进剂的载人版“星舰”起飞，并通过火地转移轨道直接返回地球。

6）“星舰”以第二宇宙速度再入地球，经过气动减速后，软着陆完成载人或载货运输，从而实现两级完全可重复使用。

火星运输系统架构图

与其他的载人任务模式相比有很大不同，需要先把“星舰”飞船发射入轨，等待多次在轨加注。由于在LEO轨道每次加注量多少与加注次数密切相关，根据总体参数计算分析，实现满加注状态约需6 ～10次在轨加注。因此，需要在短时间内进行多次复杂的发射、交会对接和加注操作，且这些操作必须全都连续取得成功，这就对整个发射系统的可靠性提出了较高的要求。

任务分析

参照2017 年马斯克公布的在轨加注方案，并根据2019 年公布的总体方案和总体参数可推测出其在轨加注次数以及可提供的速度增量。加注满的“星舰”如果携带50 ～100t 有效载荷，能提供的速度增量约为6 ～7km/s，理论上可以实现90 天左右到达火星。由于其初期并不需要返回地球，因此仅考虑单程的燃料，规模得到大大缩减，且任务规划时可以不受停留时间和返回窗口的限制。远期采用原位资源利用技术，可以在火星表面生产返程所用的推进剂，并可携带50t 有效载荷返回地球。

加注满的“星舰”如果携带100t 的有效载荷，可以完成绕月再返回任务。由于月面软着陆无法利用气动减速，仅可依靠发动机反推进行减速。因此如果不返回地球，可去掉气动舵，降低结构质量。加注满的“星舰”可实现月面软着陆，但剩余推进剂不足以返回地球。因此，对于月面软着陆再返回地球的任务，需要在返回地球前再次进行加注。

3 方案特点分析

“超重-星舰”的技术方案和研制流程与传统航天运输系统研发过程相比有很多独特之处，具体如下：

（1）采用两级完全重复使用方案实现载人月球探测和火星殖民

SpaceX 公司旨在打造人类历史上第一个能够完全重复使用的重型运载火箭。虽然猎鹰- 9（Falcon - 9）可以回收一级火箭，但二级火箭回收仍存在较大难题。“超重-星舰”将做到除推进剂以外真正的“零消耗”，具备完全重复使用能力。且其仅采用两级方案，就能实现载人月球探测、火星殖民等复杂任务，同时取消了传统意义的整流罩分离，改用一体化载荷舱盖，显著降低了分离失败的风险，也有效节约了成本。

SpaceX 公司公布的月球探测任务示意图

（2）通用化多任务适应性，打造航班化运输系统

“星舰”分为载人版和货运版，具有多任务适应性，可满足大规模发射入轨、空间站补给、载人月球探测、火星殖民、全球一小时抵达等。利用其大规模进出空间的优势，可实现航班化“拼车”，定期发射，从而开创运输新模式。

一次上行能力至少可达100t，返回能力50t，可实现大规模有效载荷释放和回收，开创在轨服务新模式。载人月球探测、火星殖民任务单次可运送约100人左右，相比过去载人任务最多一次7 ～8 人，载客量大幅提升。仅需经过快速检测和推进剂补加就可在短时间内再次发射，实现航班化运输。

（3）通过飞行试验快速迭代与优化，持续提升性能

从2016 年的PPT 方案发布到2019 年现场发布，“星舰”正逐步从纸面走向现实。从最初研制到“跳虫”试飞，再到全尺寸原型样机地面静态点火试车，其“猛禽”发动机经过多轮迭代，性能显著提升，后续将不断更新换代，有望将比冲再提升5 ～10s。从“跳虫”采用壁厚为12.5mm 的不锈钢，到全尺寸原型样机壁厚不到4mm，结构质量显著降低，未来将进一步优化到2mm 以内，使结构质量从200t 降到120t。“超重-星舰”全尺寸原型样机快速迭代，从Mk 系列到SN系列，预计到SN20 系列基本完成入轨级“星舰”定型。

（4）大胆采用颠覆性理念设计与技术方案

采用无整流罩的一体化气动外形设计，使运载和有效载荷一体化。沿用猎鹰-9 运载火箭的过冷加注方案，将液氧密度提升10%～12%，同样体积尺寸下增大推进剂加注量，而且可以减小贮箱极限压力设计值，因此贮箱壁厚可以变薄，从而进一步减轻结构质量。在轨加注过程利用尾部伸缩加注管对接，连接方式简单易行，使用推力器产生过载，实现在轨加注，满足载人登月、火星殖民等任务。

采用模块化设计方案，瞄准实现批量化生产能力建造，通过增加重复使用次数，可大规模降低研制和发射成本，并不断提升可靠性。采用2m 左右高度的不锈钢圈，随着焊接工艺的完善，不锈钢圈越来越光滑，已顺利通过强度压力考核。全箭仅采用一型发动机，分为海平面和真空两个状态，显著降低发动机研发成本和研制周期，提升可靠性。单独配备返回着陆专用贮箱，有利于推进剂管理，并通过放置在主贮箱内部来达到推进剂蒸发量控制的效果。

全箭及贮箱采用经过低温处理的300 系列标准不锈钢，原因是高质量不锈钢材料在低温下强度会提高，且不锈钢的熔点远高于目前运载火箭常用的铝合金和复合材料，对于可重复使用运载火箭，热防护压力大大降低。另外，不锈钢材料成本极低，有利于运载火箭实现低成本，目前已采用304L 不锈钢制造燃料贮箱，进一步提升强度系数。

4 面临技术挑战

对于实现宏大的火星殖民目标来说，SpaceX 公司虽然采取了众多独特的方法、任务模式和技术途径，但难免引入新的技术难题，还存在许多问题需要逐一解决。

（1）运载器气动设计及热防护技术

“星舰”用于气动减速的热防护（左）和正六边形隔热瓦示意图（右）

地球与火星均含有大气，但密度有差异，气动捕获情况下火星进入速度约为7.5 ～8.5km/s，从火星返回地球的再入速度约为11.2 ～12.5km/s。相比于其他从环火轨道进入火星的任务模式来说，直接从地火转移轨道进入火星大气能够显著减少推进剂消耗，但同时对热防护提出了更高的要求。

从2016 版到2019 版的“星舰”外观可见，其气动外形一直在调整，表明SpaceX 公司对于气动外形的设计也在不断迭代与优化中，且从2018 版开始采用不锈钢提升热防护效果。目前仅在其迎风面加入热防护隔热片，可在满足热防护要求的情况下，有效降低结构质量。由于发动机点火后箭体会有十分剧烈的振动，隔热片的安装一定要既轻盈又牢固。因此，在全尺寸原型样机测试中，表面安装的正六边形隔热片将接受类似于“星舰跳虫”一样的测试，主要包括每片隔热瓦的安装方法以及抗振能力等。

（2）多约束返回着陆的制导与控制技术

“星舰”为入轨级，相比“超重”再入具有更高的飞行速度，因此更加具有挑战性，需要更准确选择再入点火时机，才有可能降落到期望位置，且再入轨迹需要综合考虑气动热约束、能量约束、动压约束、控制约束及环境因素等。除按照预先设定好的轨迹飞行之外，在偏差过大时，还需要通过多约束在线轨迹规划完成制导与控制，以解决大范围初始参数散布以及不确定性系统偏差等问题。

（3）推进剂在轨加注技术

在轨加注是显著提升深空探测有效载荷规模的有效手段之一。可通过连通管路将推进剂由加注飞行器输送到目标飞行器贮箱，但由于处于在轨微重力环境下，推进剂传输与在地面环境下有很大不同，而且当加注低温推进剂时，还需要考虑蒸发量控制以及连通管路热控等问题，因此技术挑战巨大。SpaceX 公司拟采用推力器施加过载的方式，有利于推进剂沉底和加注过程实施。对于多次在轨加注还涉及到多个发射任务的协调问题、多次交会对接问题等，这些问题都是大规模在轨加注所面临的挑战。

目前的加注模式需要加注大约6 ～10 次，即使每艘加注飞船间隔1 天发射，载人版飞船在轨等待时间也需要1 周左右，且必须保证每一次加注都成功。除非任务模式有所调整，才能减少人员的在轨等待时间，比如可先将一艘加注版飞船在LEO 轨道经过多次加注加满，再一次性对载人版飞船补加，降低多次加注带来的风险。

（4）原位资源利用技术

“星舰”再入返回地球飞行剖面图

原位资源利用是在地外天体表面生成适合上升返回的推进剂。在火星上可以利用水和二氧化碳制备甲烷和氧，以此补充运载器的推进剂。主要涉及到资源获取、推进剂生成、液化等关键技术。

地外天体原位资源利用是前提，未来将在火星上就地制造返程所用的推进剂。液氧+甲烷比液氢+液氧占用更小的贮箱尺寸，燃料成本更低，方便复用，同时易于在火星上生产，并且与煤油一样可以在轨加注和转移，一旦实现工程应用，将加快火星殖民目标的实现。

5 未来发展预测

近期可具备大规模发射入轨能力

对照马斯克给出的时间表，其进度虽有延后，但仍在稳步推进，已成功开展星舰- SN5 低空试飞，而后续星舰-SN 全尺寸样机将实现高空飞行甚至是入轨级飞行。目前，“星舰”的设计方案尚不具备单级入轨能力，实现入轨需要助推级，得益于“猎鹰”运载火箭系列的一子级发射和回收技术的基础，近期有望使“超重”研制成为现实。乐观估计，2021 年可具备发射有效载荷入轨能力，加速“星链”（Starlink）部署，但此时“星舰”尚难具备再入返回能力。

中期可具备“星舰”返回地球、月球软着陆能力

垂直起降导航、制导与控制以及软着陆机构等方面均有“猎鹰”运载火箭的技术储备，并且有NASA 火星探测器的软着陆工程经验可借鉴，但“星舰”入轨级通过气动减速返回地球并软着陆尚存在热防护等众多技术挑战。为了与NASA 提出的2024年登月任务时间节点相匹配，预计5 年内可具备返回地球及月球软着陆能力。当前大规模液氧/甲烷推进剂在轨加注技术尚未开展实质性在轨验证，一旦投入工程应用，将使得载人月球探测、火星殖民等一系列任务未来可期。

远期有望实现载人火星往返

在地外天体制备推进剂的原位资源利用技术尚在研究阶段，仍未实现工程应用。一旦在地外天体实现大规模原位资源利用，将使得地-月-火之间的航班化往返运输变得更加容易实现。而采用液氧/甲烷推进剂实现大规模火星殖民、载人飞出太阳系等概念离我们还相对遥远。