星舰的2021：在“五射四炸”中成长

2022-02-21田丰

太空探索 2022年2期

文/田丰

近年来，太空探索技术公司发射数量屡创新高，星链项目高歌猛进，一幅顺风顺水的模样。然而2021年11月26日的感恩节周末，公司创始人埃隆·马斯克向全体员工发送的一封电子邮件，却彻底击碎了这个“幻想”。信中马斯克称公司目前的首要任务（Top Priority）是加速研发星舰，但目前星舰所采用的“猛禽”发动机生产已经陷入“危机”，若无法及时解决将影响下一代星链的部署，2022年太空探索技术公司甚至有破产的风险。

星舰是太空探索技术公司自2018年起正式开始研发的一款两级可完全重复使用的重型火箭，全箭采用公司自研的代号“猛禽”的液氧甲烷发动机驱动。箭体主要采用不锈钢材料制成，回收状态下近地轨道运力不低于100吨。其中，火箭芯二级被称之为“星舰飞船”（Starship spacecraft），火箭芯一级则称为“超重型火箭”（Super Heavy rocket）。

但是，星舰缘何能成为太空探索技术公司的“头等大事”，“猛禽”为何会让研发进度止步不前，项目进程遭遇了哪些挫折？这还要从刚刚过去的这一年说起。让我们从头梳理下星舰这款“生死攸关”火箭的2021年。

▲ 网友戏称的“飞天茅台”升空

万米试飞五射四败，首飞障碍逐步扫清

在2020年，星舰SN5和SN6两台原型机，在仅有单台猛禽发动机支持下，完成了百米级的跳跃测试，由于顶部添加了形似酒瓶盖的配重，被网友戏称为“飞天茅台”。星舰研发进入2021年，最受关注的无疑是持续半年且五射四败10千米级试飞。

首次挑战12.5千米高度试飞的是星舰SN8原型机，火箭成功起飞后顺利完成上升、关机、滑翔、翻转等阶段，但约7分钟后在最终着陆阶段因发动机点火后推力不足坠地爆炸。

在前期大量原型机的试验数据支持下，SN8安装了全套控制翼面和头锥，开始挑战12.5千米试飞。相对前期原型机，SN8的试飞进步主要在于以下三点：首先3台猛禽发动机首次组合工作，着陆用的“头部贮箱”（Head-Tank）首次用于着陆反推，最关键的是星舰首次具备了与日后实飞状态一致的完整气动外形和气动翼面。因此SN8原型机试飞更贴近星舰服役后再入大气层过程中的滑翔阶段，该阶段中发动机不工作，而是仅依靠前后两对可动翼面来控制飞船姿态。据公开文献显示，相对传统襟副翼控制方式，星舰方案在小攻角和大攻角下均能实现对箭体姿态的有效控制，其中后翼为主控制面。尤其是在着陆阶段攻角大于90°的情况下，类似航天飞机的传统襟副翼控制方式很可能失效，而星舰的翼面控制方案仍可对姿态进行有效控制，而最终的实际试飞也佐证了这一结论。

▲ 星舰SN10翻转过程不同于SN9，同时点燃了三台猛禽发动机

两个月后的2021年2月2日，配置与SN8基本相同的星舰SN9号原型机开展试飞，但“头部贮箱”增压方式从SN8的自生增压回退为冷氦增压，以避免SN8的增压问题，试飞高度也从12.5千米下降至10千米。太空探索技术公司曾在猎鹰系列火箭上长期使用冷氦增压方式，经验相对丰富。但公司称冷氦增压并非最终方案，后续还将逐渐探索以找到最适合星舰的增压方式。试飞过程与SN8类似，上升段、滑翔段、翻转段均表现正常，最终着陆阶段因一台猛禽发动机的预燃室故障，再次坠地爆炸。

连续两次失败并未影响太空探索技术公司的进度，研发团队改进了着陆阶段的控制率，将最终着陆阶段点燃两台猛禽发动机改为点燃全部3台，然后选取其中状态相对更好的两台进行着陆，以避免以往方案中1台无法可靠点火而导致的着陆失败。

▲ 星舰SN15起飞

▲ SN8-11四台试飞失败的原型机合影，明显可见隔热瓦的测试面积逐步扩大

一个月后的3月3日，编号SN10原型机再次挑战10千米试飞，历经上升、滑翔、翻转、着陆4个阶段，成为首个高空测试后完整着陆的原型机。然而，因为着陆速度过大（10米/秒），且3个着陆腿没有锁定到位，着陆后姿态略有倾斜。虽然SN10箭体结构完整，但落地冲击压碎了部分着陆腿和缓冲机构，最终落地8分钟后突然发生爆炸，试飞第三次失败。事后分析是由于推进剂中混入了部分增压用氦气，导致发动机推力不足而“重着陆”。

仅仅27天后的3月30日，试飞场大雾弥漫，星舰SN11成为第四台冲击高空飞行试验的原型机。在前期各种问题相继暴露的过程中，业界普遍认为此次试飞应能成功。然而试飞还在上升段时，2号猛禽发动机（3台发动机中的一台）就发生了火灾，虽然后续的滑翔和翻转试飞仍然正常进行，但在最终着陆阶段，发生火灾的2号发动机重新点火后不久SN11便丢失了遥测数据。由于现场大雾，只能听见清晰的解体声音，随后浓雾中大量SN11的碎片从天而降，第四次试飞再告失败。事后分析表明，试飞失败是因甲烷泄漏导致2号发动机起火，烧毁了部分航电设备，从而导致着陆阶段甲烷涡轮泵启动失败。

一连4台原型机折戟无疑是重大挫折，随后太空探索技术公司决定将与坠毁原型机类似设计的SN12、SN13、SN14全部被报废，转而开始制造包含大量设计改进的SN15。5月5日，星舰SN15进行星舰第五次10千米级试飞。试飞过程十分顺利，最终平稳着陆。但在着陆后不久，尾部发动机舱发生火灾，随后被地面消防系统扑灭，试飞终于成功。SN15随后被转运回厂房拆除发动机并进行检测，就在媒体期望SN15能重上蓝天时，太空探索技术公司宣布SN15和设计类似但尚未试飞的SN16一并退役。

其实在长达半年的试飞试验过程中，美国宇航局的“载人登陆系统”（Human Landing System）评标团队几乎每次都专程赶赴现场观摩。评标团队亲眼目睹了4个月内四射四败（合同发放时SN15还未成功）却仍不放弃的星舰研发过程，而这一切都对后续载人登月舱合同选定产生了潜移默化的影响。就在其他竞标对手还在提交PPT和全尺寸模型的时候，太空探索技术公司直接尝试用实机试飞展示和验证他们的投标方案，模仿程序员常说的那句话——“‘说’是廉价的，向我展示你的火箭！”

▲ 星舰登月舱与月球轨道平台门户对接，右侧可见猎户座载人飞船

登月舱遇中标风波，世界第二富终认输

2021年4月17日，美国宇航局正式宣布星舰被选为美国“阿尔忒弥斯”登月计划中载人登月舱的唯一中标商，太空探索技术公司需基于现有星舰芯二级，通过精简再入设备，增加深空和生保设备等方式改造成一款大型整体式登月舱。该方案击败了由“蓝色起源”+“洛·马”+诺思罗普·格鲁曼公司+德雷珀公司组成的全明星“国家队”，以及Dynetics公司牵头25家分包商组成的“小企业队”。合同价值28.9亿美元固定额度，按里程碑进行阶段性付款。

此次合同范围包括整个登月舱的第三阶段研发资助，以及后续的一次无人和载人落月演示任务。任务架构上，目前基于2025年（原计划为2024年）执行的阿尔忒弥斯-3任务规划，美国宇航局的“太空发射系统”（SLS）将发射猎户座飞船前往月球，飞船载有4名航天员。进入环月轨道后，猎户座飞船将与先期到达的星舰登月舱在轨对接，其中2名航天员将转移到星舰上，随后星舰分离着陆月球表面。经过大约一周的月面探索后，他们将登上星舰，返回环月轨道并与猎户座飞船对接，最终全部航天员乘坐猎户座飞船返回地球。

太空探索技术公司爆冷中标后，两家落标方立即向“美国政府问责局”（以下简称“问责局”）提交了长达175页的申诉材料，声称美国宇航局在投标过程中对两家方案的各个方面进行了不当评估，且没有留给其适应性修改报价和标书的机会。4月30日，该局迫于压力暂停合同执行，直到问责局作出最终裁决。

3个月后，问责局公布申诉调查结论，认为两家抗议无效。申诉未果后，“蓝色起源”并未善罢甘休，8月13日，“蓝色起源”更是将作为“甲方”的美国宇航局一纸诉状告上联邦上诉法院，诉讼要求中，“蓝色起源”坚称美国宇航局的招标存在缺陷且必须加以解决。

11月4日，美国联邦上诉法院裁定“蓝色起源”针对美国宇航局选择太空探索技术公司的诉讼无效。随着贝索斯公开称尊重法院裁定结果，这场旷日持久的“登月舱大战”才告一段落。

▲ BN3进行三发静态点火

芯一级大跃进，发动机仍拦路

随着5月SN15原型机的试飞成功，太空探索技术公司认为星舰芯二级的试飞工作已经足够充分，工作重点转向轨道级发射台和火箭芯一级的设计制造，后续试飞将直接瞄准入轨发射。

▲ 安装防护罩后的芯一级B4发动机舱，黑色罐子为复合材料压力容器，中央为加注口，发动机顶部留孔为外置点火器接口

▲ 总装中的星舰B4和SN20，清晰可见两个栅格舵，两栅格舵中间突出物为回收“筷子”的捕获点

芯一级基本延续了芯二级的原型机+静力试验机的组合迭代思路，但得益于前期经验，各原型机间的技术跨度明显加大。BN1是第一枚星舰芯一级的原型机，全高约70米，但并不能用于入轨试飞。2021年3月30日，尚未开展有效测试的BN1即告报废，太空探索技术公司转而开始总装BN3，7月19日，BN3安装了3台猛禽发动机并进行了首次静态点火测试，测试成功后便告报废并于近日被拆解。

接下来太空探索技术公司将芯一级代号从BN缩减为B，并开始制造B4（Booster-4）。这是首台可以进行入轨试飞的芯一级，安装有29台猛禽发动机，顶部安装有栅格舵，级间段配置有分离装置，可以与芯二级的星舰SN20总装并开展入轨发射。8月5日，星舰SN20与B4在轨道发射台进行总装，组合体高达120米，首飞仿佛近在咫尺。但这次总装其实只是一次适配性的“摆拍”，芯一级B4随后被运回厂房继续完善。10月22日，更换了部分猛禽发动机后的B4开始安装发动机防护罩。与此同时，太空探索技术公司向美国联邦航空管理局（FAA）申请报批的首次轨道试飞计划也得以曝光。考虑到首飞风险，星舰首次轨道试飞将不考虑回收箭体，芯一级在分离后将开展各项回收试验，但不返回发射场，最终溅落在墨西哥湾附近海面，芯二级类似。

星舰芯一级的设计思路与芯二级同样具有颠覆性，不仅挑战已有的设计定式，还打破自家的设计惯性。比如业界目前已普遍接受“猎鹰9”芯一级的可展开式着陆腿设计，无论是返场回收还是海上回收平台，着陆腿都不可或缺。但太空探索技术公司在星舰上冒险决定取消芯一级火箭着陆腿，箭体直接落回到发射台上。着陆阶段首先由发射塔上专设的可滑动和可开合的“筷子”（Chopsticks）回收机构来缓冲、夹持、钩住芯一级，箭体上设置有承力点用于“筷子”夹持。回收成功后“筷子”会在发射塔架上旋转并移动，从而将芯一级直接“插”回发射台。该设计的优势在于可省去箭体着陆支腿的重量和成本，也避免了支腿无法可靠展开和锁定的潜在风险（此前“猎鹰9”就曾因支腿未能锁定而倾倒爆炸），并让火箭能够马上在发射台上重新就位，从而能够使火箭具备快速重复发射的能力。但这一设计的劣势显而易见，它不仅对回收精度的要求近乎苛刻，而且回收失败的代价可能不仅是一枚芯一级。

除此之外，太空探索技术公司还决定取消栅格舵展开和锁定机构，既节省了机构重量，也避免了栅格舵无法展开和锁定的风险，还将布局从正交十字改成X形布置。正所谓有利必有弊，展开的栅格舵在上升段会带来额外阻力，但设计团队认为这些阻力相对无法展开的风险是“可以承受”的，且在上升段可以提供额外的控制力矩。

虽然太空探索技术公司进行了多轮设计迭代和技术验证，但芯一级的多发并联方案仍是拦路虎，不同于“重型猎鹰”每个通用芯级安装9台，三芯并联共27台的方案；星舰芯一级仅在一个9米直径箭体底部就密集排布了29台猛禽发动机，外圈20台为固定设计，由发射台外置点火器点燃；内圈9台可双摆，内置点火器，总计可产生高达5300多吨的起飞推力。其力热环境比苏联N1火箭芯一级更恶劣，因此发动机的布置、承力结构、热防护、耦合振动等一系列技术挑战都亟需解决。公司原定通过类似“重型猎鹰”首飞阶段逐渐增加静态点火发动机数量的方式获得振动数据并摸索启动时序。因此，马斯克曾豪言2021年开展入轨首飞，却因为发射台进度和监管方的“不可抗力”不断推后。

▲ 星舰芯一级B4发动机布置图

挑战仍艰巨，监管帮倒忙

自2021年8月总装后，星舰就进入了首飞准备阶段。即使太空探索技术公司省略了传统发射台导流槽的大规模土方挖掘工作，但发射台进度仍严重滞后星舰自身的研发和制造进度。直到2022年初，发射台快速连接臂、外置点火机构、新设计的“筷子”回收机构和对应的推进剂贮存设施仍在调试。

最后是美国监管当局冗长的环评及发射许可流程。虽然近年来FAA已经在积极改进监管政策以适应商业航天的迅猛发展，但星舰的“最终程序环评”中公众质询环节迄今仍无结果。FAA称仍有18000份公众质询尚待太空探索技术公司进行回应，此外FAA对星舰推进剂贮存设施的合规性也有质疑。最新结束时间已不早于2022年2月末，发射时间或不早于4月。

但太空探索技术公司并未坐等批复，新的芯级部件已经开始制造。正如开篇所说，星舰项目事关公司生死存亡，而成功入轨对于一般火箭来讲已可称之为“大功告成”，但对于“一箭包打天下”的星舰来说，首飞成功也至多不过是“赛程过半”。星舰二级还需挑战再入大气层并成功着陆回收。星舰再入大气层的热防护系统，星舰计划在迎风面大面积覆盖陶瓷基非烧蚀隔热瓦作为防热材料，尤其是头锥和翼面转轴处隔热瓦最厚。为了验证这种隔热瓦的贴敷性能，公司曾在星跳者（Starhopper）、SN系列原型机乃至货运龙飞船上多次试验性安装隔热瓦，试验面积也逐渐扩大，但脱落问题仍未得到明显改观。甚至到首次轨道试飞所采用的SN20原型机上，虽然其迎风面已经被隔热瓦全面覆盖，但一经静态点火等振动后，仍不断有隔热瓦脱落。

而后针对载人任务需求，还需积累可靠性数据，增设必要的维生和逃逸设备，最终定型载人版星舰。为应对规划中在轨加注需求，还需设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版星舰。而为了满足美国宇航局的登月舱需求，还需要打造精简所有大气层再入用设备的月球版星舰。最后为了实现马斯克本人的火星“野心”，还需要打造可往返地球火星的火星版星舰。而以上构型能够实现的最关键前提，就是要实现星舰的廉价、快速和可靠的重复使用。这才是星舰项目的核心挑战，也是不断迭代的终极目的，其实也是最艰难和耗时的一步。

▲ 仍在调试的轨道发射台，底部为发射台，往上为回收用的“筷子”，塔架中部为芯二级快速连接臂

唯一不变的就是变

如果将星舰的2021年一言以蔽之，那就是——唯一不变的就是变。除上文所述的设计变化外，太空探索技术公司几乎没有制造过完全相同的两台原型机，每一台都有新的设计融入其中。比如不断采用独立的静力试验机试用新牌号的不锈钢材料，并逐步将壁厚尺寸从4毫米减薄至3.6毫米，以获得更高的干质比。芯二级翼面尺寸及位置也几经调整，适当向背风面靠拢，仿真显示这一变动可以降低再入过程中翼面转轴处的热流峰值。

如果说最“骇人听闻”的设计变更，要数去年底在已逼近首飞的条件下，太空探索技术公司突然宣布继续追加发动机数量，芯一级发动机数量从29台升至33台，芯二级从6台升至9台。不仅如此，新的2.0版“猛禽”已经基本研发完成，并逐步在得州试车场的生产线开展批产。2.0版“猛禽”推力将从现有的185吨骤升至230吨，几乎追平“蓝色起源”的BE-4发动机；2.0版“猛禽”预燃室可稳定工作在高达30兆帕的室压下，超过俄制RD-180发动机的26.7兆帕。

得益于“猛禽”的更新换代，太空探索技术公司还决定进一步拉长火箭二级，并将两个头部贮箱均改为头锥内布置。这些设计变更有望在今年的原型机上实施。由于FAA的首飞审批不断推迟，公司有可能决定直接报废B4和SN20组合，直接换用“猛禽”2.0的改进型星舰首飞。

在传统运载火箭的设计过程中，在首飞前增发增推且拉长二级的设计变更几乎无异于推翻重来。而由于种种原因，传统运载火箭在正式入轨发射前都是没有过试飞的，设计人员在漫长的研发进程中一直都在想方设法用尽可能多的地面试验来模拟实际飞行工况，试图让上天的问题全部暴露在地面并得到解决。但地面终究是地面，谁也无法保证所有问题都能在地面复现。近年来，随着垂直回收技术的实用化和成熟化，星舰的设计过程迥异于传统重型火箭，利用不断提升高度的悬停和试飞不断暴露各种问题，逐步验证各种技术，最终逼近实用化运载火箭。如此一来，技术风险和问题被高度分散，不再需要“毕其功于一役”将风险集中于首飞。

但我们也要看到，星舰10千米级试飞5射4败的纪录，也暴露了这种设计思路的高昂代价。不仅如此，随着后续进入轨道级发射阶段，星舰仍有大量技术有待验证，同时各项飞行试验的成本将呈指数上升，这也是星舰自身融合了过多新技术的必然弊端。这种激进的设计思路究竟最后能否彻底实现其设计目标，基于星舰的登月舱能否安全地让航天员往返月面，太空探索技术公司在星舰上的豪赌能否帮助星链项目渡过难关，还要我们拭目以待了。