SpaceX星舰设计演变简史（下）

本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷，系列上一篇：《美国SpaceX星舰（Starship）设计演变简史（上）》，题图来自：视觉中国

2017年9月29日，马斯克在第68届国际宇航大会（IAC 2017）除了发布了前文所述的BFR最新设计、项目资金来源外，还阐述了BFR的其他用途、火星任务概念、未来规划等。

在用途方面，BFR还可以用来一次发射直径接近9m的卫星等，甚至收集旧卫星和清理空间碎片;可以服务国际空间站，甚至前往月球表面，具体如下图所示。

2017年9月公布BFR飞船月表着陆返回任务架构概念图

SpaceX瞄准2022年完成BFR第一次货运任务。截止到发布会当日，SpaceX已经开始建造BFR，主储罐工具已经订购，生产设施正在建设，计划次年（2018年）第二季度开始建造第一艘飞船，并计划在约5年内完成飞船建造并为发射做好准备。

2017年9月公布的BFR火星着陆返回任务架构概念图

BFR飞船再入火星大气层速度高达7.5km/s，利用了为龙飞船开发的烧蚀型防热材料，峰值加速度为5g（以地球为参考），超过99%的热量被（飞船通过再入轨迹设计）以空气动力学方式移除，而着陆点火是超音速反推。

2017年9月公布的BFR飞船火星进入与着陆分析

近期计划主要包括2022年的2次火星货运任务和2024年各2次的火星货运/载人任务，具体如下图所示。

2017年9月公布的BFR飞船近期的火星任务规划

最后，SpaceX公布了利用BFR在地球表面进行洲际载人运输任务概念，其中BFR采用海上平台发射与着陆，最高时速达27000km，而大部分点对点旅行不超过30min，到达地球上任一点不超过1h。

2017年9月公布的BFR地球表面洲际载人任务概念演示动画

2017年10月14日，马斯克又补充了一些设计细节：

• 猛禽发动机推力的下降与飞行器质量的减少大致成比例。

  
  

• 猛禽发动机飞行版本设计更轻、更紧凑，非常注重可靠性。

  
  

• 猛禽发动机的某些部件计划采用3D打印，但大部分部件是机械加工的锻件，同时SpaceX为液氧涡轮泵开发了一种新的金属合金，其在高温下具备一定的强度。

  
  

• 自2017年9月的介绍以来，SpaceX已经修改了BFR飞船的设计，在其原有的2台海平面、4台真空型猛禽发动机的基础上增加了1台中等面积比的猛禽发动机。额外的发动机有助于实现发动机输出能力，并将允许以更高的有效载荷质量着陆，以实现地球上点对点的运输功能。

  
  

• 真空型猛禽发动机可以在海平面状态下全推力运行，但是不建议使用。

  
  

• BFR飞船着陆腿为了提高崎岖地形（着陆）的稳定性而从3条增加到4条。

  
  

• BFR飞船三角翼并不是字面意义上的翼面，相对较小且很轻，不产生升力，只用来平衡飞船，保证其再入大气层时不会让发动机部分首先再入。

  
  

• 主储罐将被排放到真空状态，BFR飞船外部具备很好的隔热性能（主要是为了重返大气层的隔热），BFR飞船头部将大部分指向太阳，所以预计很少有热量会到达头部舱段。也就是说，推进剂也可通过少量的蒸发来冷却。下一步，BFR飞船可能会增加一个低温冷却器。

  
  

• 最佳质量比是通过不在一个盒子里建造一个盒子来实现的。推进剂储罐需要是圆柱体的，以达到远程质量效率，而且其必须承载上升负载，所以最低质量的解决方案只是将隔热板直接安装在储罐壁上。

  
  

• BFR飞船尾部新增控制推进器的设计将比SpaceX公司应用在载人龙飞船上的超级天龙座（SuperDraco）发动机更接近猛禽发动机的主燃烧室，并将采用增压方式，以实现尽可能低的冲力位（没有涡轮泵旋转延迟）。

  
  

• BFR油轮版飞船计划重新设计为一款具有极高满载/空载比的专用油轮飞船。

  
  

• 顶部储罐位置和大小的变化是为了避免管线过于复杂，当前设计并非最优设计，计划有进一步的细化。

  
  

• 环境辐射损害对BFR飞船的运输时间来说并不重要，仍然只需要一个内置在BFR飞船里的太阳风暴避难所。

  
  

• 作为系统的关键部分，SpaceX为推进剂设计的原位资源利用（ISRU）系统已经进行了大量工作。

BFR（大猎鹰火箭）更新设计

2018年9月18日，SpaceX在其总部举行BFR相关发布会，主要更新了BFR设计上的一些变化，其中重点是BFR飞船，具体如下：

2018年9月公布的BFR整体概念图

• BFR总高度从2017年的106m增至118m;

• BFR在全复用状态下的近地轨道运力设计超过100t;
  

• BFR飞船总高度从2017年的48m改为55m（含尾翼）;
  

• BFR飞船内部加压区由2017年的825m³增至大于1000m³，甚至最高可达1100m³;
  

2018年9月公布的BFR飞船外形概念图

• BFR飞船尾部把2017年设计的一对三角翼更换为3个在翼尖设有着陆区的更大尾翼，其中2个为驱动式尾翼，而着陆区设计为位于翼尖的伸缩式着陆腿;

• BFR飞船头部计划增设2个可动式前翼，以配合尾翼在进入大气层时改善气动控制;

• BFR飞船发动机舱外围增加了一圈货舱，总体积约88m³；

• BFR飞船由2017年6台发动机（2海平面+4真空型）改为7台与BFR助推器相同的猛禽（海平面）发动机，发动机通用化是为了降低研制风险和成本，而真空型猛禽发动机可能计划在以后重新加入。

2018年9月公布的BFR飞船尾部概念图

2018年11月20日，BFR更名为“星舰”（Starship），从技术上讲，Starship为两级——Starship是宇宙飞船/上级，超级重型（Super Heavy）是逃离地球深层重力井所需的火箭助推器/助推级（其他行星或卫星不需要）。

2018年9月公布的BFR储罐工装内部

2018年11月25日，马斯克表示，BFR飞船（BFS）的设计更改（主要）为箭体、储罐、隔热瓦，而轮廓大致相同。

2018年9月公布的BFR绕月任务轨迹设计概念图

星舰（Starship）系统

2019年1月，马斯克宣布用300系列不锈钢代替碳纤维复合材料建造Starship系统。

2018年9月公布的BFR桶状部件

2019年5月23日，Starship发动机配置改回6台——3海平面+3真空型。

2019年9月公布的Starship发动机配置

2019年9月，SpaceX更新了Starship系统最新设计与配置，除主要材料为不锈钢外，其他具体变动如下。

Starship尾部由2018年的3个在翼尖设有着陆区的尾翼改为一对不带着陆腿功能的对称梯形尾翼，均为驱动式尾翼，而Starship着陆腿增加至6条内置伸缩式。

2019年9月公布的Starship概念图与主要参数

而原BFR飞船发动机舱外围的一圈尾部货舱貌似也已取消。

Super Heavy在头部增加了4个均匀对称分布的可驱动格栅翼，在尾部增加了6个均匀分布且兼具着陆腿功能的尾翼。

2019年9月公布的Super Heavy概念图、主要参数与发动机配置

图表：2019年9月公布的Starship两级配置

资料来源：SpaceX

猛禽发动机方面，于2018年发布会上消失的真空型回归，比冲从2017年的375s微升至380s，而海平面型的真空比冲由2017年的356s微降至355s，其余未公布。

图表：2016、2017、2019年公布的猛禽发动机参数指标对比

资料来源：调研整理

Starship热防护系统（TPS）/隔热盾，要点如下：

• 不锈钢可耐高温;

• 坚固的陶瓷瓦，可实现最大的隔热区域;

• 完全可重复使用，维护成本低;

• 支持快速生产和安装。

2019年9月公布的Starship隔热盾要点

2019年9月公布的进入火星大气层时Starship隔热盾防护效果概念图

SpaceX公布了Starship系统尺寸对比图，如下图所示，图中自左至右分别为人、高18.4m且2019年完成两次试飞后退役的星虫（Starhopper）、电影《星球大战》系列中高34.75m的千年隼号（Millennium Falcon）宇宙飞船、高50m的星舰Mk1（Starship Mk1）原型机、高118m的星舰系统（Starship）。

2019年9月公布的Starship系统尺寸对比图

在轨加注方面，具体技术未有变化，但SpaceX表示，星舰对接要比龙飞船对接国际空间站更简单。

2019年9月公布的Starship在轨加注推进剂示意图

SpaceX着重解释了Starship系统采用不锈钢作为主体材料的原因：

• 不锈钢低温下强度会提高到常温下的约2倍，从而缓解了其密度较大的问题。

• Starship热防护方式回归到了航天飞机式的隔热瓦设计，采用新一代TOFROC（整体增韧抗氧化复合结构）防热材料；不锈钢熔点远高于铝合金（差一个数量级）；因此，Starship背风面无需隔热处理，而同时迎风面由于不锈钢的高熔点可使用更薄的隔热瓦，相比之下采用不锈钢比使用铝合金使整船更轻。

• 不锈钢成本低，每吨约2500美元，而碳纤维每吨高达13万美元。

• 不锈钢材料易于焊接加工，而猎鹰9号使用的铝锂合金或是更先进的碳纤维强度虽然很高，但维修难度可能在地球之外极高。

2019年9月公布的Starship发射模拟动画

2020年3月，SpaceX发布《Starship用户手册（第一版）》，详细参数了Starship系统运载能力等。

2020年3月16日，Super Heavy高度微增到70m，因此整个星舰系统为120m。起飞重量约5000公吨（metric ton，MT）。

2020年8月7日，星舰系统总高度又微增到约122m（394ft），其中Super Heavy因增加固定式着陆腿而增高约2m。

2021年5月29日，Super Heavy助推器上最初计划配备有29台猛禽发动机，2021年晚些时候增加到32台，同时每台发动机的推力也会增加。长期目标是>7500t推力;T/W（推重比）~1.5。

图表：截至2021年7月的Starship多代关键参数对比

（注：由于BFR于2018年更名为Starship，所以将2018年BFR设计并入Starship。）资料来源：调研整理

2020年10月24日曝光的网友自制Starship多代对比效果图（来源：NSF/Lamontagne）

总结

从上表和上图可以看出，SpaceX的Starship系统在设计之初的技术指标非常大胆，但中途趋于保守，然而在原型机建造与试验开始后恢复了部分技术指标，并且结合建造与试验结果进行了微调，最终基本定型，虽然后期也不排除在一定的飞行试验后再次调整的可能性，但只不过不可能是大改；星舰系统在技术上大胆创新，包括不锈钢作为主体材料、三十余台发动机并联、尾翼/舵面与着陆腿融合、复杂储罐布局等，中间也有所迭代优化，最终通过Starship原型机飞行试验验证了部分设计。

总之，Starship系统的设计演变践行了快速迭代的理念，通过原型建造与试验等，使设计指标与技术实现相平衡，最终完成定型设计，值得学习借鉴。

参考文献

[1] VIDEO: Elon Musk interview.

[2] SpaceX Chief Eyes Huge Mars Colony.

[3] Elon Musk Interview – AskMen.

[4] I am Elon Musk, CEO/CTO of a rocket company, AMA!

[5] Making Life Multiplanetary.

[6] Making Humans a Multiplanetary Species.

[7] First Private Passenger on Lunar Starship Mission.

[8] Starship Update.

本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷