引 言
超重-星艦（Super Heavy-StarShip）運(yùn)輸系統(tǒng)是SpaceX公司正在研制的重點(diǎn)項目，該運(yùn)輸系統(tǒng)未來將替代SpaceX現(xiàn)有的法爾肯9和法爾肯重型火箭，可用于執(zhí)行包括衛(wèi)星發(fā)射、軌道空間站補(bǔ)給與維護(hù)、全球“點(diǎn)到點(diǎn)”超快速客運(yùn)服務(wù)以及火星殖民等任務(wù)。
SpaceX公司預(yù)計在2021年完成首次軌道飛行，最早在2023年執(zhí)行首次載人繞月飛行任務(wù)，計劃最早在2024年執(zhí)行火星貨運(yùn)任務(wù)，2027年執(zhí)行火星載人任務(wù)。
超重-星艦系統(tǒng)方案和最新研制進(jìn)展
超重-星艦系統(tǒng)方案由SpaceX公司創(chuàng)始人艾倫·馬斯克在2016年公布，經(jīng)過幾次重大的修改，從公布之初的星際運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）方案，到2017年的超重法爾肯火箭（BFR）方案，直至目前的超重-星艦方案，在不斷修改中逐漸向可實(shí)現(xiàn)的方向發(fā)展。
超重-星艦采用船箭一體化設(shè)計，包括超重火箭級和星艦飛船級。運(yùn)載能力為100 t+。能將100人送往月球、火星或其它遙遠(yuǎn)目的地，或是繞地球飛行。系統(tǒng)全長120 m，起飛質(zhì)量為5 000 t，起飛推力7 400 t（約合72.52 MN），兩級均可重復(fù)使用。
（1）超重火箭級：高70 m，直徑9 m，推進(jìn)劑加注量為3 300 t，設(shè)有4個柵格舵（外型由矩型改為菱形），并設(shè)4個固定尾翼兼著陸支腿。將采用猛禽液氧/甲烷發(fā)動機(jī)，但發(fā)動機(jī)數(shù)量經(jīng)多次修改，目前仍在論證中。據(jù)SpaceX創(chuàng)始人艾倫·馬斯克透露，火箭級發(fā)動機(jī)數(shù)量可能是28臺。
（2）星艦飛船級：高50 m，直徑9 m，采用6臺猛禽液氧/甲烷發(fā)動機(jī)，推進(jìn)劑加注量為1 200 t，采用雙鴨翼+雙尾翼，設(shè)6個可伸縮著陸支腿。鴨翼和尾翼均改成梯形，以提高著陸時的翼面控制效率。迎風(fēng)面防熱由氣膜主動冷卻改為防熱瓦。
（3）研制進(jìn)展：在超重-星艦系統(tǒng)的研制過程中，SpaceX遵循快速分階段驗證迭代式研制模式、驗證設(shè)計概念和方案的可行性。從項目的公布到首架星艦驗證機(jī)的建成僅僅用了3年的時間。該項目自2019年3月進(jìn)入密集測試階段，截止目前已完成對多臺9 m直徑的星跳號驗證機(jī)和MK全尺寸原型機(jī)的測試，并對多架SN系列原型機(jī)進(jìn)行了飛行測試。實(shí)現(xiàn)了原型機(jī)的150 m低空飛行和10 km級高空飛行，并在試驗中實(shí)現(xiàn)了軟著陸。驗證了星艦導(dǎo)航系統(tǒng)、全箭不銹鋼箭體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、新型著陸支腿以及其他一些基本功能。有力地證明了SpaceX公司采取的迭代式研制模式的有效性。
而“超重”火箭級原型機(jī)的制造工作由于受到生產(chǎn)能力的限制直到2020年10月才得以啟動。目前已經(jīng)制造三枚原型機(jī)，分別是：超重BN-1、BN-2和BN-3，其中BN-2可能將搭載星艦SN20原型機(jī)進(jìn)行軌道飛行測試。
技術(shù)特點(diǎn)分析
（1）采用爭議較大的全箭不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
從2016年首次方案公開到2018年底，SpaceX一直都宣稱該星際運(yùn)輸系統(tǒng)將采用碳纖維復(fù)合材料。但在2018年末突然宣布，改用近些年并不常見的不銹鋼材料，并立即報廢了曾經(jīng)用重金購買的復(fù)合材料工裝。給出的理由是從太空超低溫到重返大氣層的高溫狀態(tài)，全不銹鋼箭體的可用強(qiáng)度與質(zhì)量比，要比碳纖維、鈦合金等航天材料表現(xiàn)更好，只是在常溫時不如后兩者。不同于半人馬座上面級的不銹鋼氣壓設(shè)計，超重-星艦采用軸壓設(shè)計，貯箱在不加注時仍可以保持結(jié)構(gòu)完整。同時，貯箱還要反復(fù)加注泄放過冷甲烷和液氧，這都是之前業(yè)內(nèi)鮮有應(yīng)用的設(shè)計。最初，星艦驗證機(jī)所采用的是高質(zhì)量301級不銹鋼。但在2020年6月，SpaceX利用SN7原型機(jī)貯箱進(jìn)行了低溫加壓試驗，驗證了另一種不銹鋼材料（據(jù)稱與304L類似），得出結(jié)論是這種不銹鋼材料在低溫下具有更強(qiáng)的延展性和韌性。
（2）采用猛禽液氧/甲烷發(fā)動機(jī)
超重-星艦采用的猛禽液氧/甲烷發(fā)動機(jī)為全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)設(shè)計推力為1 993 kN，約為法爾肯9火箭使用的隼1D發(fā)動機(jī)的2.5倍。發(fā)動機(jī)比沖330 s，主燃燒室壓力超過250 bar（25 MPa），具備高比沖、深度節(jié)流的特點(diǎn)。一旦投入使用，將有望成為第一款投入實(shí)用化的液氧/甲烷發(fā)動機(jī)，也是第一款全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)。根據(jù)馬斯克的說法，單臺猛禽發(fā)動機(jī)設(shè)計可執(zhí)行1 000次飛行，幾乎無需維護(hù)。采用甲烷燃料具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，燃燒起來比法爾肯9火箭使用的煤油更清潔，因此發(fā)動機(jī)上的焦化更少，有利于重復(fù)使用。其次，價格便宜并且可以在火星上提取，能夠滿足未來探火的需求。
（3）采用新的回收方式
超重-星艦系統(tǒng)為完全可重復(fù)使用運(yùn)載器，其火箭級與飛船級均可回收。其中，星艦飛船級設(shè)計采用了與此前截然不同的回收方案。
當(dāng)從軌道返回時，星艦不以垂直姿態(tài)進(jìn)入大氣層，而是以60°傾斜的姿態(tài)及25倍音速的超高速度“躺著”進(jìn)入大氣層。星艦將由四個單獨(dú)控制的襟翼精確引導(dǎo)下降。其中兩個為鴨翼在鼻錐上，兩個尾翼在船尾部分。根據(jù)馬斯克的說法，“在超音速狀態(tài)下產(chǎn)生升力，這對限制峰值加熱非常重要”。換句話說，星艦將盡可能最大限度地利用空氣制動。最終在接近地面時還將進(jìn)行一次大幅機(jī)動，點(diǎn)燃猛禽發(fā)動機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，最后垂直到達(dá)地面進(jìn)行精確著陸。星艦的回收比法爾肯９火箭一子級的回收要困難得多，但如果SpaceX公司能做到這一點(diǎn)，將會是革命性的突破。
圖1 星艦著陸剖面
（4）采用防熱瓦設(shè)計
由于不銹鋼的熔點(diǎn)較高，新的不銹鋼超重-星艦設(shè)計與碳復(fù)合材料相比，需要的熱防護(hù)措施較少，從而彌補(bǔ)了鋼具有更高質(zhì)量的這一缺點(diǎn)。飛船從低軌道返回時，表面約20％的部分將暴露在最高溫度約1 476 ℃的環(huán)境中，另外20％最高溫度至1 326 ℃，其余表面最高溫度將低于1 176 ℃，這是不銹鋼無需任何額外冷卻即可承受的溫度。再入時箭體所承受的溫度最高不超過330 ℃，發(fā)動機(jī)部分周圍的溫度不超過925 ℃，可采用被動輻射冷卻來應(yīng)對。這意味著星艦的背風(fēng)側(cè)不需要任何隔熱層。
而在迎風(fēng)面，最初馬斯克曾設(shè)想使用雙層不銹鋼外殼+液膜冷卻來實(shí)現(xiàn)防熱。但最終SpaceX研發(fā)團(tuán)隊還是決定采用堅固的并可重復(fù)使用的防熱瓦，從而使系統(tǒng)整體更輕。迎風(fēng)面防熱結(jié)構(gòu)將大部分由六邊形防熱瓦組成。選擇這種形狀是因為這樣“它沒有能夠讓熱流加速通過的直線路徑間隙”。
SpaceX并未透露防熱瓦所采用的材料，而根據(jù)SpaceX與NASA Ames研究中心的合作協(xié)議推測，SpaceX很可能在星艦上采用該中心所擁有的新型TUFROC防熱材料（增韌型單片纖維增強(qiáng)抗氧化復(fù)合材料），該材料用于美國空軍試驗航天器X-37B的翼面前緣，經(jīng)過飛行驗證，且TUFROC-X可直接貼敷于不銹鋼材料，工藝上相較碳纖維結(jié)構(gòu)有所簡化。
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