“超重-星舰”基本情况与应用前景分析

谭胜 朱雄峰 刘鹰 刘阳 雍子豪 韩秋龙 王铁兵 崔朋 （北京跟踪与通信技术研究所）

美国太空探索技术公司（SpaceX）的“超重-星舰”（ Super Heavy-Starship）由于其超大运载能力、超大载荷空间、超低发射成本、超低保障条件而广受关注。2023年4月20日，SpaceX公司的“超重-星舰”在得克萨斯州博卡奇卡开展了“首次全面综合飞行测试”，火箭在起飞达到约39km高度后解体爆炸，但此次飞行测试仍然具有重要意义。本文针对“超重-星舰”及相关情况进行了调研分析，并对“超重-星舰”开展了技术特点、应用前景分析。

1 基本情况

项目背景

2018年，美国SpaceX公司提出“超重-星舰”重型运载火箭方案，以低成本、完全可重复使用为着力点，旨在实现星际载人飞行、全球航班式运输投送、星座级卫星部署、长期在轨试验、航天器在轨捕获和维修等活动。“超重-星舰”为两级光杆构型、通用直径9m，一级长约69m，配置33台液氧甲烷“猛禽”发动机，二级长约50m，配置3台“猛禽”发动机和3台真空版发动机，设计低地球轨道（LEO）运载能力不小于100t，载荷空间大于1000m3。

“超重-星舰”总体参数表

研制进展

2019年开始，SpaceX公司在得克萨斯州博卡奇卡试验场启动星舰原型机制造、测试和试验，SpaceX公司遵循快速试错理念，依次建造了“星虫”（Starhopper）、MK系列（Starship MK）和SN系列（Starship No.X）三代星舰原型机，并针对每一代原型机开展了一系列试验，采用先地面后飞行、先缩比样机到全尺寸样机的步骤，依次快速迭代地开展各项试验。典型试验包括：SN5和SN6于2020年7~9月相继成功完成静态点火和150m低空试飞；SN8、SN9、SN10和SN11于2020年12月－2021年3月相继在进行十千米级高空试飞时爆炸损毁；SN15于2021年5月取得首次十千米级高空试飞圆满成功；在完成超重基础级B7与星舰飞船SN24合体和静态点火测试后，B7与SN24于2023年1月完成了湿彩排（完成全部推进剂加注），B7于2023年2月完成了首次全面静态点火测试（尝试33台发动机点火，测试中节流50%状态下启动了31台“猛禽”发动机，共产生3600多吨推力）。在获得美国联邦航空管理局（FAA）批准的发射许可后，SpaceX公司于2023年4月20日实施了首次飞行测试。

“超重-星舰”首飞图

相关资助

(1)美国国家航空航天局（NASA）

SpaceX公司是竞标NASA向月球发射有效载荷合同的公司之一。同时，作为“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划开发载人登月系统合同第一阶段的一部分，SpaceX公司从NASA获得了价值1.35亿美元的开发合同。

2021年4月16日，NASA正式宣布SpaceX公司成为美国Artemis登月计划中唯一的登月舱承包商，在此过程中马斯克击败了由蓝色起源公司（Blue Origin）、洛马公司（LM）、诺格公司（NG）和德雷珀公司（Draper）组成的全明星“国家队”，以及动力系统公司（Dynetics）组成的“小企业队”，独自获得28.9亿美元的固定额度合同。

(2)美国空军

在“超重-星舰”研制取得一定突破后，美空军开始探索并研究火箭货运（Rocket Cargo）概念。2020年，美军运输司令部向SpaceX公司征询全球远程快速投送的可行性，2021年火箭货运项目宣布实施。火箭货运项目拟通过空军2030年科学与技术战略预算支持，在2021财年和2022财年相继获得970万美元和4790万美元经费资助。

美国空军研究实验室发布的火箭货运概念图

2 技术特点分析

全球首型两级构型完全重复使用运载火箭

“超重-星舰”是全球首款两级构型完全重复使用的运载火箭，且是重型运载火箭。虽然猎鹰－9（Falcon－9）火箭因单个一子级已成功实现复用15次而成为重复使用运载火箭的典型代表，但其二子级仍未实现可回收复用。“超重-星舰”将做到两级完全重复使用，且取消了整流罩分离，改用了一体化载荷舱盖，变相实现了传统整流罩的回收。因此，“超重-星舰”将做到除推进剂、隔热瓦和维护成本外的真正“零消耗”。

全球首型低轨发射成本百美元级的运载火箭

“超重-星舰”采用极低成本的不锈钢材料、无整流罩一体化设计、过冷加注技术、低成本重量轻的隔热瓦、模块化设计方案、全箭仅用一型发动机、两级完全重复使用等多种颠覆性设计方案和技术，有效降低了研制、生产和使用成本，且提高了生产效率和可靠性。经初步成本分析，“超重-星舰”可将进入低地球轨道的成本降低到每千克百美元级甚至更低，该成本对现有航天运输系统都将是“降维打击”（当前进入空间成本最低的是猎鹰－9运载火箭，约每千克2500美元）。

全球首型高度集成简化地面支持系统的重型运载火箭

SpaceX公司将“超重-星舰”的地面支持系统称之为“第0级”，通过箭地一体化设计尽量将相关配套系统留在地面，以降低发射成本，减轻飞行重量。“超重-星舰”发射试验场区采取紧凑、简洁布局设计，各试验设施间隔较小，大多为露天设置，厂房多采用低成本、可快速拆卸的预制式板材搭建；发射台和发射塔均采用构造简洁、可快速恢复的结构，且取消了价格昂贵、施工复杂的导流槽；单个场区面积仅约为0.08km2，大幅降低了发射试验场区的复杂性、占地面积和建造成本。同时，该高度集成简化的重型运载火箭地面支持系统有力推动了“发射场革命”的发展。

全球首型有望批量化生产的重型运载火箭

SpaceX公司一直致力于用工业化、流水线的批量化生产方式来大幅降低成本，且其效益已经在“猎鹰”系列火箭和“星链”（Starlink）卫星上得到了验证。SpaceX公司也正在将量产的方式用在“超重-星舰”这种重型运载火箭上，具体表现在：一是“超重-星舰”选用了材料广泛、易加工制造的不锈钢做为箭体材料，使其可在极其普通的工厂大棚中快速制造大量的火箭箭体；二是“超重-星舰”用的“猛禽”发动机已基本实现工业化、流水线快速生产，当前年产量已突破200台。

3 应用前景分析

“超重-星舰”将具有超大运载能力（低地球轨道运载能力不小于100t）、超大载荷空间（＞1000m3）、超低发射成本（每千克百美元级）和超低保障条件（单个发射区面积＜0.1km2）等典型优势，将改变现有进出空间、全球投送和星际运输格局。经过分析研究，“超重-星舰”主要应用前景分析如下。

体系支撑万颗量级星座快速组网

“星链”卫星星座是SpaceX公司的宽带卫星互联网星座，旨在太空构建一个总量高达4.2万颗的巨型卫星星座，计划2027年先期完成1.2万颗卫星部署，2033年完成后续3万颗卫星部署。近年来，SpaceX公司通过猎鹰－9运载火箭以一箭60星的快速发射已完成4200多颗“星链”卫星的部署（其中约350颗已失效或脱轨），但要利用猎鹰－9运载火箭按计划完成“星链”卫星部署仍力不从心。然而，如果未来使用“超重-星舰”发射“星链”卫星，有望实现一箭400星发射，可进一步加快星座建设步伐（按照“超重-星舰”年发射40发的频率，可实现年发射16000颗“星链”卫星），并大大降低发射成本，提高星座盈利水平。

超低成本航班化天地往返运输

美国可利用“超重-星舰”将各类航天器（特别是大型、超大型航天器）按需快速投送到指定轨道，同时捕获携带指定轨道的航天器或太空垃圾离轨返回至地面等行动，使美具备按需快速部署和增强空间网络、离轨空间资产或垃圾、贯通天地界限、自由穿梭往返的能力，实现低成本、航班化、完全重复、快速天地往返运输，有力提高美太空军快速部署、重建、恢复和维持太空资产能力，从而可有力支撑美“太空机动与后勤”作战概念。

小时级全球快速投送

当前，全球战略快速投送主要依靠战略运输机，火箭投送可进一步完善和增强全球战略投送体系，实现小时级全球力量快速布控。美国通过火箭货运等项目的实施和相应基础设施的成体系建设，可基于“超重-星舰”实现百吨级货物或人员的全球点对点快速投送，发挥火箭投送飞行时间短、投送距离远、突防能力强、空域约束小等优势，实现战略物资、兵力或救援物资紧急部署补给。火箭投送将是海陆空运输投送体系的有益补充，并将重塑未来军民用运输体系和格局。

火箭投送与航空投送技术指标对比

地外天体基地建设和控制

美国在全球各地持续投入大量兵力，维持几百个军事基地，其主要目的之一是控制全球的重要交通咽喉要地，进而控制全球主要的能源和货物运输，这极大影响着全球贸易和军事战略格局。这一竞争格局将有可能复刻到太空领域，美国的太空战略是确保其太空控制、太空行动自由与谋求太空霸权，美国通过《阿尔忒弥斯协定》《地月空间入门》和《太空力量》等文件，正在实质谋求对月球等地外天体的“控制权”。通过“‘超重-星舰’进入空间+星舰在轨加注”的星际运输模式，美国将实现星际空间的航班化运输，率先实现地外天体基地的建设和控制，并进一步支撑美国扼守星际空间咽喉要地的战略目标，打造美国在星际空间的太空霸权。

4 小结

美国SpaceX公司采用“设计-制造-试验”的快速迭代方式，利用不到6年时间已让具有完全重复使用潜力的“超重-星舰”重型运载火箭开展了首飞飞行测试。虽然“超重-星舰”首次飞行测试未能完成所有预定目标，但通过研发“超重-星舰”重型运载火箭，SpaceX公司正在创新火箭研产模式、颠覆进入空间的规模和成本、开创火箭应用场景，并将通过“超重-星舰”的超强能力、超低成本和超简保障改变现有进出空间、全球投送和星际运输格局。