美國SpaceX超重-星艦首飛分析及對中國航天產(chǎn)業(yè)的啟示

孟光，劉昶，楊冬春周城宏，周華

1.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240

2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109

3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109

4.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100190

1 首飛概述

北京時間2023年4月20日21時38分，美國太空探索技術(shù)公司的超重-星艦成功實現(xiàn)首次發(fā)射，發(fā)射階段圓滿，但遺憾的是起飛后多臺發(fā)動機陸續(xù)出現(xiàn)故障，在飛行至36 km高度時，由于一級推進劑耗盡，全箭姿態(tài)失穩(wěn)，一二級分離失敗，最終執(zhí)行了箭上自毀程序。盡管發(fā)射失敗，但卻是一次非常偉大的嘗試。

首飛重點考核超重-星艦的工程可行性，驗證發(fā)動機、結(jié)構(gòu)、控制和增壓輸送等主要系統(tǒng)在復(fù)雜飛行環(huán)境中的可靠性，此次飛行通過了全箭上升段最大動壓點，其一級飛行段的結(jié)構(gòu)、控制、增壓輸送系統(tǒng)的正確性和可靠性得到初步驗證。其星艦軌道飛行試驗示意圖如圖1所示［1］。

圖1 星艦軌道飛行試驗示意圖［1］Fig.1 Schematic diagram of starship orbital flight test［1］

2 超重-星艦方案演進

超重-星艦（Heavy-Lift Starship）是美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在2016年提出為“移民火星”“使人類成為多星球物種”等偉大遠景研制的重型太空運輸系統(tǒng)，具備完全重復(fù)使用和超大的運載能力，可執(zhí)行近地軌道、月球、火星甚至更遠軌道的商業(yè)航天發(fā)射任務(wù)。

經(jīng)過7年10輪以上方案迭代，超重-星艦系統(tǒng)高約120 m，起飛總重約5 200 t，起飛推力約7 600 t。一次性狀態(tài)近地軌道運載能力250 t，兩級重復(fù)使用狀態(tài)近地軌道運載能力150 t，下行返回載荷能力50 t?；A(chǔ)級“超重”火箭高約70 m，直徑9 m，推進劑加注量為3 400 t，安裝33臺“猛禽”液氧甲烷發(fā)動機；星艦高50 m，直徑9 m，設(shè)6臺“猛禽”液氧甲烷發(fā)動機，3臺海平面型和3臺真空型［2］。星艦的演變過程如圖2所示［3］。

圖2 星艦的演變過程［3］Fig.2 Evolution of starship［3］

超重-星艦系統(tǒng)采用獨特的返回飛行模式：超重返回類獵鷹9模式，返回發(fā)射臺機械臂捕獲回收；星艦返回采用航天飛機+類似一子級垂直著陸返回相結(jié)合模式，返回發(fā)射臺由機械臂捕獲回收［4］。

3 超重-星艦應(yīng)用模式分析

星艦的功能與任務(wù)覆蓋了目前近地、高軌、深空、載人等近乎全部的航天運輸任務(wù)，應(yīng)用范圍主要由1 h全球抵達運輸、天地往返運輸和空間轉(zhuǎn)移運輸?shù)?類系統(tǒng)組成，具有重復(fù)使用、智能化等技術(shù)特征。

3.1 洲際戰(zhàn)略投送

2021年5 月美國空軍公布在2022財年的科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略中將提供4 790萬美元給SpaceX星艦項目，用以實現(xiàn)1 h內(nèi)全球點對點100 t有效載荷戰(zhàn)略投送的預(yù)先研究工作［5］。

美國空軍全球1 h投送的概念來源于SpaceX公司對星艦的主要功能定位之一：地球上城市間的點對點航班洲際運輸設(shè)想。在其設(shè)想中，地球上最遠距離的兩個城市，在空中飛行的時間不會超過1 h。星艦全球1 h洲際運輸概念示意圖如圖3所示［6］。

圖3 星艦全球1 h洲際運輸概念示意圖［6］Fig.3 Starship’s intercontinental transport concept （1 h）［6］

對“星船”1 h全球投送進行反演計算，星艦具備60 min內(nèi)從美國本土起飛，將百噸戰(zhàn)略物資投送至亞太的能力，但1 h內(nèi)實現(xiàn)投送至全球的任意角落（航程20 000 km），最大飛行速度、最大過載等參數(shù)將大大超出現(xiàn)有飛行包絡(luò)約束。具體如圖4和圖5所示。

圖4 星船主動段在馬赫數(shù)Ma=5.0、迎角α=60°時流場壓力和馬赫數(shù)分布云圖Fig.4 Contour of pressure and Mach number distribution for starship active section at Ma=5.0 and α=60°

圖5 舊金山-東京的彈道仿真Fig.5 Ballistic simulation from San Francisco to Tokyo

雖然火箭運輸在飛行速度上優(yōu)勢明顯，但考慮火箭推進劑的物理特性、加注需求和加注時間、貨物裝載方便性等因素，與成熟的航空運輸相比，目前火箭作為常規(guī)運輸工具的整體效率和效益偏低。綜合分析，星艦作為洲際戰(zhàn)略投送，僅適用于非戰(zhàn)場條件下的應(yīng)急戰(zhàn)略補充。

3.2 軌道運輸

星艦本質(zhì)上是航天飛機和獵鷹9火箭技術(shù)迭代更新的新一代產(chǎn)品，在民用和軍用方向均有較高的應(yīng)用價值。

1） 民用方面

① 星座組網(wǎng)發(fā)射：星艦可以一次性發(fā)射400顆星鏈衛(wèi)星，相比于獵鷹9一次60顆的發(fā)射能力，將極大提升星鏈項目組建效率，如圖6所示［7-8］。

圖6 星鏈發(fā)射示意圖［7-8］Fig.6 Schematic diagram of starlink launch ［7-8］

② 超大型衛(wèi)星發(fā)射：星艦超大的整流罩容積和運載能力，為研制和發(fā)射超大型衛(wèi)星提供了可能，這類超大型綜合衛(wèi)星，是未來在軌加注、軌道服務(wù)、軌道清理及其他綜合技術(shù)的基礎(chǔ)，有較大的發(fā)展前途。

③ 空間站建設(shè)和補給：星艦的整流罩容積、直徑和運載能力，極為適合發(fā)射大型的空間站艙段，由于其上行和下行能力較強，可為空間站進行低成本的高效補給，為空間站的科研設(shè)備和生活提供更有力的支撐。如圖7所示［9］。

圖7 空間站建設(shè)和補給示意圖［9］Fig.7 Schematic diagram of space station construction and resupply［9］

④ 回收/維修衛(wèi)星：星艦可以從軌道帶載荷回地球，類似航天飛機曾經(jīng)抓捕衛(wèi)星回地球修理后再發(fā)射，或直接在軌道上對衛(wèi)星進行維修或加注，對于一些高價值衛(wèi)星有不小的吸引力，未來衛(wèi)星的應(yīng)用模式也可能會隨之發(fā)生變化。

2） 軍用方面

① 發(fā)射大型軍事衛(wèi)星：星艦的超大運載能力和整流罩空間，可以發(fā)射大型的軍事衛(wèi)星，將目前的偵察、預(yù)警等分散功能衛(wèi)星集中起來，更有效提升反應(yīng)和作戰(zhàn)效能，對于提升改善全球?qū)椃烙到y(tǒng)有較好的效果。

② 發(fā)射大型武器平臺：空間攻防武器的能力，極大依賴于載荷平臺的在軌、變軌機動能力和武器載荷的大小，對平臺本身的大小和重量要求較高，星艦可提供極佳的運載能力和包絡(luò)空間條件。如圖8所示［7］。

圖8 發(fā)射大型衛(wèi)星或大型空間武器平臺［7］Fig.8 Launch of large satellites or large space weapon platforms［7］

③ 空間操作載荷平臺本身：星艦超大的體積容量和返回地球能力，存在抓捕對方衛(wèi)星或空間武器回地球的可能。

④ 空間戰(zhàn)略武器平臺：利用星艦的能力和空間，攜帶近百噸的各類武器，再利用星艦的在軌和變軌能力，可實現(xiàn)全球化全天候快速打擊，在戰(zhàn)略值班時期，星艦可以交替返回地球，相比于傳統(tǒng)三位一體的核打擊模式增加了一個新的選擇。如圖9所示。

圖9 星艦作為戰(zhàn)略武器平臺示意圖Fig.9 Schematic diagram of starship as a strategic weapon platform

3.3 載人登月

目前SpaceX以星艦為基礎(chǔ)的登月方案先后拿下了NASA的CLPS供應(yīng)商資格和HLS飛行測試與演示驗證任務(wù)。數(shù)艘星艦在實現(xiàn)載人著陸任務(wù)時具有不同的目的，但每艘星艦都基于通用的星艦設(shè)計。符合NASA載人評級的星艦將首先發(fā)射到低地球軌道，與用于推進劑儲存的星船對接并接受推進劑加注，隨后繼續(xù)飛往月球軌道。

目前而言，星艦作為登月著陸器效率并不高，根據(jù)星艦的參數(shù)以及登月所需速度增量反算，星艦構(gòu)型要實現(xiàn)載人登月（兩輛月球車，乘坐8人，重量按11.6 t計算），星艦在軌總加注量為1 754 t，需要14次發(fā)射補給才能實現(xiàn)星艦的月面著陸。未來深空探測，二子級需要對不銹鋼材料進行更換。相關(guān)研究如圖10［9］、圖11、表1所示。

表1 載人登月不同軌道速度增量分析Table 1 Analysis of different orbital velocity increments for manned lunar landing

圖10 星艦在月表起降示意圖［9］Fig.10 Schematic diagram of starship taking off and landing on lunar surface［9］

圖11 登月示意圖Fig.11 Schematic diagram of lunar landing

4 超重-星艦技術(shù)特點分析

超重-星艦的成功應(yīng)用，將突破運載火箭固有的設(shè)計理念，在整箭工程、多發(fā)動機并聯(lián)、高性能發(fā)動機、超大箭體的GNC、返回?zé)岱雷o、復(fù)雜剖面推進劑管理、原位發(fā)射與回收等方向取得歷史性突破。

4.1 整箭工程技術(shù)

運載火箭發(fā)展歷經(jīng)3個時期，第1個時期以任務(wù)需求為牽引，有什么任務(wù)研制什么火箭；第2個時期以能力為驅(qū)動，根據(jù)已有任務(wù)研制能力梯度覆蓋的運載火箭；第3個時期以市場需求和重復(fù)使用為目標發(fā)展運載火箭（獵鷹9）。超重-星艦研制不屬于以上3種模式，其以載人登火夢想構(gòu)型為指引，通過持續(xù)迭代發(fā)展兩級重復(fù)使用運載火箭，沒有任務(wù)牽引，沒有能力驅(qū)動，沒有市場需求。

4.2 全流量補燃循環(huán)液氧甲烷發(fā)動機技術(shù)

超重和星艦采用的“猛禽”液氧甲烷發(fā)動機，為世界上第一型工程應(yīng)用的閉式全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，如圖12所示［10］。該燃燒循環(huán)方式包含兩個預(yù)燃室，富燃預(yù)燃室驅(qū)動燃料泵，富氧預(yù)燃室驅(qū)動氧泵，氧化劑和燃料以氣態(tài)進入燃燒室，使得燃燒更加充分，閉式全流量分級燃燒具備以下特點：

圖12 “猛禽”發(fā)動機示意圖［10］Fig.12 Schematic diagram of Raptor engine［10］

1） 高性能。把所有推進劑均轉(zhuǎn)化為燃氣用于渦輪做功；推力室氣氣燃燒效率高。

2） 推力室燃燒穩(wěn)定性好。氣氣燃燒穩(wěn)定。

3） 密封相容性好。富氧、富燃兩套單獨的發(fā)生器渦輪泵系統(tǒng)，渦輪和泵之間相容性好，無需不同推進劑泵之間的組合式密封。

4） 系統(tǒng)復(fù)雜。組件多，系統(tǒng)匹配、調(diào)節(jié)、起動控制難度大。

5） 總體布局復(fù)雜。組件多、流路復(fù)雜、雙燃氣路。

6） 推力室冷卻難度大。氣氣噴注器冷卻。

“猛禽”發(fā)動機一直在進行技術(shù)改進，燃燒室室壓從25 MPa提升到了30 MPa；推力由185 t提升到230 t；發(fā)動機質(zhì)量由2 t降低為1.6 t。9 m直徑放了33臺發(fā)動機，實現(xiàn)了超大的面推比［11］。

4.3 中等升阻比的有翼錐柱體返回氣動預(yù)示與控制技術(shù)

星艦再入返回采用低質(zhì)阻比有翼外形設(shè)計，與傳統(tǒng)航天飛機的返回方式不同，星艦再入時末端速度比較低，前后翼面在小、大攻角下均能實現(xiàn)對艦體姿態(tài)的有效控制，通過變攻角飛行，增加橫向和縱向控制能力，提高落點精度，通過舵和雷達散射截面（RCS）以實現(xiàn)制導(dǎo)和姿態(tài)穩(wěn)定控制。

星艦中等升阻比氣動布局考慮了外形包絡(luò)、最大升阻比、最大橫縱機動距離、容積效率、峰值過載、峰值動壓、操穩(wěn)特性、駐點熱流及溫度等多種約束，再入過程速度覆蓋馬赫數(shù)0～25，迎角約0°～40°，如此大的飛行包線，給控制技術(shù)提出嚴峻挑戰(zhàn)。如圖13所示［12］。

圖13 星艦氣動特性仿真［12］Fig.13 Aerodynamic characteristics simulation of starship［12］

4.4 超大箭體垂直起降導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)

超重返回飛行剖面復(fù)雜，外力作用復(fù)雜，超重火箭取消了著陸緩沖機構(gòu)，采用新型發(fā)射塔架機械捕獲回收技術(shù)，對在線導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)提出了更高的要求，如圖14所示［13］。超重火箭配套的柵格舵在高速飛行中具有良好的氣動性能，能提供穩(wěn)定控制力，輔助超重再入過程中姿態(tài)穩(wěn)定控制。飛行剖面中按照調(diào)姿、減速、再入、著陸等不同飛行階段的控制需求和特性，通過不同執(zhí)行機構(gòu)的有效配合，完成精確著陸控制。

圖14 發(fā)射臺和發(fā)射塔架機械捕獲示意圖［13］Fig.14 Mechanical capture schematic diagram of launchpad and launch tower［13］

4.5 新型發(fā)射回收技術(shù)

超重-星艦采用無導(dǎo)流槽發(fā)射技術(shù)，降低對發(fā)射場的建設(shè)要求；采用發(fā)射塔架機械捕獲式的方式，降低對著陸緩沖系統(tǒng)的研制難度，提升火箭運作周期。

4.6 快速檢測及可更換的軌道級返回大熱流防護技術(shù)

星艦再入時以60°傾斜的姿態(tài)及25倍聲速的超高速度進入大氣層，再入時速度高、動壓大，其熱流條件與航天飛機一致［7］。返回過程中，箭體將承受上千度的熱沖刷，星艦采用的不銹鋼材料承受的高溫在800 ℃以上，背風(fēng)面可以在沒有任何附加熱防護的情況下完好撐過再入過程。星艦防熱系統(tǒng)采用X-37B成熟應(yīng)用的整體增韌抗氧化陶瓷隔熱瓦，該防熱結(jié)構(gòu)與不銹鋼結(jié)構(gòu)栓接，連接可控，更換簡潔。如圖15和圖16［12］所示。

圖15 星艦防熱材料Fig.15 Heat shield materials for starship

圖16 星艦熱環(huán)境預(yù)示分析［12］Fig.16 Thermal environment prediction analysis of starship［12］

4.7 復(fù)雜剖面推進劑管理技術(shù)

星艦著陸前存在大角度姿態(tài)機動箭體快速拉直的飛行工況，此時推進劑處于淺箱狀態(tài)，將大量存在氣液混合現(xiàn)象，如圖17所示［10］，推進劑晃動幅度也達到20%以上，SN多次飛行失敗主要原因就是推進劑管理的原因。傳統(tǒng)的推進劑管理方案無法滿足其再入著陸的工況需求，星艦采用小貯箱的推進劑管理模式，在返回再次點火前，先通過小貯箱實現(xiàn)發(fā)動機點火，之后切換回大貯箱，如圖18［9］所示。

圖17 星艦推進劑晃動情況［10］Fig.17 Sloshing conditions of starship propellant［10］

圖18 Headtank推進劑管理方式［9］Fig.18 Management approach of Headtank propellant［9］

5 超重-星艦對航天產(chǎn)業(yè)的影響

運載是航天活動的基礎(chǔ)，是撬動整個航天產(chǎn)業(yè)的支點，運載費用的大幅下降，對整個航天產(chǎn)業(yè)的溢出效應(yīng)極其明顯，航天產(chǎn)業(yè)技術(shù)及應(yīng)用迭代速度將大大加快，影響到航天系統(tǒng)的方方面面。

1） 星艦實現(xiàn)航班化運輸后，航天發(fā)射效率大幅提高和成本大幅降低。根據(jù)SpaceX介紹，“超重-星艦”運載器設(shè)計重復(fù)使用次數(shù)在50次以上，復(fù)用周期一天，可將進入地球軌道的費用降低到1 000美元/kg甚至更低，航天運輸?shù)陌l(fā)射效率和價格將徹底改變。

2） 航天產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造模型將發(fā)生顛覆性的變化。例如在星鏈星座的建設(shè)中，星鏈在俄烏沖突中表現(xiàn)優(yōu)異，但4.2萬顆星鏈的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)對運載的挑戰(zhàn)極大，如采用星艦僅需要105次發(fā)射，理想狀態(tài)僅需生產(chǎn)3枚運輸器即可完成整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的部署，極大降低運載火箭的生產(chǎn)制造壓力。

3） 航天產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將大幅提高。根據(jù)美銀美林集團（Bank of America Merrill Lynch）的測算，到2050年，整個太空產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達到30萬億的級別。星艦的出現(xiàn)，是建立整個航天產(chǎn)業(yè)新生態(tài)的關(guān)鍵，運載效率的提升和運載費用的下降，將顛覆整個航天產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用模式，快速推動空間技術(shù)的迭代更新。

6 超重-星艦對中國航天產(chǎn)業(yè)的啟示

1） 加快培育創(chuàng)新和風(fēng)險投資的適宜環(huán)境

SpaceX崛起源于創(chuàng)新和風(fēng)險投資。工業(yè)革命以來的創(chuàng)新和風(fēng)險投資不僅指技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)代意義上的投資機構(gòu)對初創(chuàng)企業(yè)的支持，它是一切對創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)活動進行支持的機制，它是一個國家和社會具有挑戰(zhàn)與質(zhì)疑傳統(tǒng)和權(quán)威的氛圍，具有接納與包容新思想、新產(chǎn)品和新模式的能力。

遵循“科技創(chuàng)新、自立自強”的要求，持續(xù)改革開放，動員市場的力量，鼓勵企業(yè)家精神，加大研發(fā)投入，鼓勵各種風(fēng)險資本投資于中國亟需的技術(shù)和產(chǎn)品，探索和完善一個與中國國情相適應(yīng)的風(fēng)險投資市場，支持自主創(chuàng)新。

2） 加強對航天運輸?shù)耐度牒驼咭龑?dǎo)

航天、芯片、軟件等高科技產(chǎn)業(yè)是國家之間的產(chǎn)業(yè)競爭，事實上不僅取決于企業(yè)的創(chuàng)新能力，也取決于政府對牽引技術(shù)的預(yù)見能力及支持力度。航天運輸早期階段是一個創(chuàng)新風(fēng)險極大，回報率極低的產(chǎn)業(yè)，需要政府在前期提供政策條件，承擔(dān)部分技術(shù)創(chuàng)新的早期風(fēng)險，吸引企業(yè)投身技術(shù)集成創(chuàng)新的應(yīng)用。進一步細化、落實對航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，指引航天技術(shù)發(fā)展的方向，去壟斷、促競爭，實現(xiàn)整個國家航天領(lǐng)域的經(jīng)濟增長與科技進步。

3） 推動運載火箭研制體系的迭代升級

不同于汽車和航空產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模市場需求驅(qū)動，運載發(fā)射僅占整個航天產(chǎn)業(yè)的1.5%～2%，產(chǎn)出效益低使得發(fā)射費用高，產(chǎn)品服役周期長，迭代更新緩慢。但運載是進入空間的入口，運載迭代的緩慢導(dǎo)致整個航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。

SpaceX引入產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重塑運載火箭的研制流程，采用多次“設(shè)計、開發(fā)、試錯”的研發(fā)模式。打破火箭研制由幾百家工程協(xié)作的體制變?yōu)橐患覇挝话鼣?80%研發(fā)，電氣、控制、材料等對接大市場模式，通過風(fēng)險投資的預(yù)期盈利驅(qū)動，大力發(fā)展星鏈等應(yīng)用業(yè)務(wù)強力驅(qū)動運載火箭迭代發(fā)展，目前已實現(xiàn)整個研發(fā)、應(yīng)用、盈利、估值的正循環(huán)，其資本利用的效率遠高于傳統(tǒng)航天企業(yè)。

隨著未來航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，必須打破現(xiàn)有火箭產(chǎn)品利潤驅(qū)動成長模式。建議以軍民需求為牽引，衛(wèi)星應(yīng)用投資來推動運載火箭研制理念的快速選代升級，大力推動領(lǐng)域融合，構(gòu)建軍民共用的商業(yè)閉環(huán)模式，引領(lǐng)企業(yè)復(fù)利穩(wěn)定增長，實現(xiàn)技術(shù)的最終跨代。