SpaceX“超重-星舰”运输系统研制进展

齐环环 韩虹（北京航天动力研究所）

“超重-星舰”运输系统概念图

1 “超重-星舰”运输系统简介

2016年9月,SpaceX公司正式对外公布了“星际运输系统”（ITS），瞄准人类移民火星以及星际探索。随后持续进行快速迭代，每年都进行一定程度的方案调整，从初期的“星际运输系统”方案到2017年的“大猎鹰火箭”（BFR）方案，最终逐渐演化成“超重-星舰”运输系统。

“超重-星舰”运输系统由“星舰”飞船级和“超重”火箭级构成，采用不锈钢箭体，并由自主研制的“猛禽”（Raptor）发动机提供动力，飞船级和火箭级都将返回地面，完全可重复使用。“超重”火箭级可在发射数分钟后回收，并具备在1h内再次发射的条件。“星舰”飞船级可通过轨道加注（主要是加氧）实现到达火星的目标。再入大气层热防护用的隔热罩耐用且成本低，可重复使用。马斯克预计几年内，“星舰”任务的单次飞行成本可能低于1000万美元，其中包括推进剂等边际成本和该项目的运营开销。

随着研制过程的推进，“星舰”飞船级和“超重”火箭级的尺寸及性能参数一直在不断变化。“星舰”飞船级高度50m，直径9m，推进剂装载量1200t，推力1500t，有效载荷能力约为100～150t，取决于轨道高度。飞船级安装6台“猛禽”发动机，未来可能会增加至9台，其中3台设计用于地面反推着陆，6台用于真空。“超重”火箭级高度69m，直径9m，推进剂装载量3400t，未来可能增加到3600～3800t，推力7590t。最初的“超重”火箭级有29台“猛禽”发动机，未来将配备33台。

“星舰”飞船级（左）和“超重”火箭级（右）（来源：SpaceX）

2 “猛禽”发动机情况

“超重-星舰”运输系统两级都由自主研发的“猛禽”发动机提供动力。该发动机采用全流量分级燃烧循环，液氧甲烷推进剂以及双泵双预燃室。富燃预燃室驱动燃料泵，富氧预燃室驱动液氧泵，并研发SX500系列合金以承受富氧预燃室的高温燃气。该发动机具有推力大，比冲高，寿命长且可复用性强等特点。

“猛禽”发动机技术特点：

1）“猛禽”发动机采用全流量分级燃烧循环，通过补燃所有燃料燃烧做功从喷管喷出产生推力，可获得较高比冲。同一般的富氧和富燃分级燃烧循环相比，全流量分级燃烧循环有以下特点，2个预燃室分别进行富氧燃烧和富燃燃烧，分别产生富氧燃气和富燃燃气，两股高温燃气进入主燃烧室进行充分燃烧，提高主燃烧室的燃烧效率，从而提高发动机性能；另外，由于推进剂都通过预燃室，预燃室工作温度更低，寿命更长，有利于提高发动机的重复使用次数。

2）针栓式喷注器。通过呈90°的轴向射流和径向射流间的撞击来组织雾化和混合，燃烧效率高，可进行大幅度推力调节。

3）再生冷却系统/燃料自生增压。通过燃烧室表面的管道循环来冷却推进剂，同时加热甲烷和液氧，自生增压，使储罐内燃料在不断消耗后能够自生加压。

4）3D打印技术。“猛禽”发动机上的3D打印组件包括推进剂阀门，涡轮泵部件和喷注器系统的许多组件，3D打印部件质量约占发动机总质量的40%。

5）新材料技术。SpaceX公司开发了一种新型金属合金SX500系列，用于承受富氧预燃室的高温富氧燃气。

发布会上，马斯克详细介绍了正在生产和测试的新版本猛禽－2发动机。相比最初型号猛禽－1，猛禽－2发动机推力更大，使用的零件更少，而且更便宜、更容易制造，这对于实现SpaceX公司“星舰”计划的低成本和高性能目标至关重要。与猛禽－1发动机的185t推力相比，新版本可以产生至少230t的推力，之后可能增加到250t。

猛禽－1（左）和猛禽－2（右）对比图（来源：SpaceX）

3 发射基地

SpaceX公司原本准备让“超重-星舰”从德克萨斯州博卡奇卡发射场发射，但如果正在进行的环境审查出现长时间延误，该公司将转移“超重-星舰”至佛罗里达州肯尼迪航天中心（KSC）进行发射。

美国联邦航空管理局（FAA）再次延长“超重-星舰”轨道飞行的环境审查时间，以进一步展开相关审查和机构间磋商。该审查的结果可能是执行更严格的环境影响评价(EIS)。EIS一般需要几个月甚至超过一年的时间才能完成，在此过程中，博卡奇卡发射场的发射活动会被搁置。因此，SpaceX公司考虑将 “超重-星舰”转移到肯尼迪航天中心进行发射。此前，肯尼迪航天中心已经获得了“超重-星舰”发射的环境批准，但由于其配置不断更新，目前尚不清楚肯尼迪航天中心早期的环境审查是否需要更新。

从长远来看，SpaceX公司将把肯尼迪航天中心作为“超重-星舰”的主要发射场，并正在那里建造工厂。目前，SpaceX公司将两个石油钻井平台转换为可以根据需要移动的平台，用作海上发射场。肯尼迪航天中心将与海上发射平台一起为主要业务运行服务。

“超重-星舰”在发射捕获塔旁（左）和发射捕获塔结构（右）（来源：SpaceX）

4 回收方式

“超重-星舰”运输系统的发射捕获塔（launch&catchtower）称为Mechazilla，是未来快速回收复用的核心。Mechazilla发射捕获塔高度145m，为钢结构，并拥有3条机械臂。一条是快速断开臂，用于发射前快速摆开脐带连接等加注设备，并充当中部稳定结构；另外两条机械臂像“筷子”一样，用于捕获“超重”火箭级。这两条机械臂可以沿发射塔主结构上下移动。在回收过程中，“超重”火箭级垂直降落到一定高度后，将顶部的4个栅格舵锁定为水平位置，通过发动机的推力调节和摆动以一个角度去靠近发射塔，在达到悬停状态后，机械臂展开接触锁定的栅格舵，将“超重”火箭级吊挂在捕获塔上，发动机关机熄火。随后机械臂可以移动并将火箭级准确放置到发射架上，实现快速回收复用。

“星舰”飞船级回收过程中，以“腹部拍水式俯冲”（bellyflop）方式下降，下降过程中，反推力矩逐渐摆正姿态，着陆前恰好垂直，飞船级需要不断调整，以保持稳定飞行。传统火箭上面级打开整流罩将有效载荷送入轨道后，便抛掉整流罩，为一次性使用。“星舰”飞船级的整流罩可打开/关闭，因此部署有效载荷后，整流罩可以一同回收，这也将允许飞船捕获卫星在轨道上进行维修，搬迁卫星至其他轨道，甚至带回地球。

“星舰”飞船级腹部拍水式俯冲示意图（来源：SpaceX）

5 结束语

“超重-星舰”运输系统的研制进展备受关注，总结起来有如下优势：全系统可回收和重复使用，凭借以液氧甲烷为燃料的“猛禽”发动机无结焦问题的特点，进一步提高重复使用次数，降低发射成本；全系统采用一型“猛禽”发动机，全流量分级燃烧循环，推力大、比冲高；未来系统还具备在轨加注功能，能够进一步进行深空探测。之后，SpaceX公司将进行“超重-星舰”的第一次入轨试飞，如果轨道飞行成功，其将成为有史以来最大的入轨火箭，也将成为第一个完全可重复使用的轨道运载工具。