北京时间2023年4月20日21时30分许，美国太空探索技术公司的巨型运载火箭“星舰”首次发射，点火发射阶段很顺利，但遗憾的是星舰与重型助推器分离失败，失控爆炸。尽管发射失败，但这是星舰迄今为止最好的一次飞行，距离成功又进了一步。

“星舰”系统是一种完全可重复使用的航天运输系统，旨在执行地球轨道、月球、火星以及更远太空的载人/载货任务。如果成功将是航天史册上的一次壮举，将会使其成为有史以来最强大的运输系统，无论对于近地空间大规模航天器部署工程，还是人类探月、探火任务，均会带来颠覆性的影响。

https://www.npr.org/2023/04/16/1169734535/spacex-prepares-to-launch-its-mammoth-rocket-starship

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十年磨一“舰”——从MCT到Starship

如果说“猎鹰”火箭是艾伦·马斯克基于降低成本的初衷，那么“星舰”就是他梦想的源头。早在2007年，马斯克就明确其最终目标是实现火星殖民，2011~2014年，他还在多个场合表明将在本世纪20~30年代实现这一目标，并在2014年前就启动了“猛禽”发动机的研制。“星舰”采用箭船一体化设计，其演变大致经历了以下四个时期：

（一）2012~2015“火星殖民运输器”（MCT）阶段

2012年10月，马斯克首次公开宣布要建造一型名为MCT的完全可复用运载火箭，LEO运载能力为150~200t。这个阶段MCT仅为“猎鹰-9”技术的演进，只是推力更大。

（二）2016~2017“行星际运输系统”（ITS）阶段

2016年9月，SpaceX正式公布ITS系统，瞄准人类殖民火星以及行星际探索的目标。同年9月，首台“猛禽”发动机在试验台上点火。2017年，马斯克宣布ITS将用于地球轨道和环月轨道运输。ITS系统被确定为二级设计，均由“猛禽”发动机提供动力，一级为助推器，二级为“星际”载人飞船（Ship）或在轨加注货船（Tanker）。按设计，ITS可完全重复使用，LEO运载能力为550t（一次性）和300t（复用型），全部采用轻质碳纤维材料制造。

https://www.space.com/34210-elon-musk-unveils-spacex-mars-colony-ship.html

（三）2017~2018“大型猎鹰火箭”（BFR）阶段

2017年9月，马斯克在第68届宇航大会上正式公开BFR新型运输系统。实际上，BFR是缩小版ITS，仍采用碳纤维材料制造，包括载货型、加注型及载人型。2018年初，SpaceX启动首枚飞船样机的制造。同年8月，美国军方对BFR展现出极大兴趣，特别是BFR能在30分钟内从全球任一地点发射150t货物的能力，运输成本甚至低于C5运输机。

（四）2019~“星舰”阶段

2019年BFR正式更名为“星舰”系统，由“超重”助推器（Super Heavy）和“星舰”飞船（Starship）两部分组成。按照2022版公布的最新数据，“超重”高69m，较之前设计缩短了1m，共配备33台“猛禽”发动机，推进剂加注量为3400t，未来可能增加至3600t或3800t，推力约7600t。“星舰”飞船采用6台“猛禽”发动机提供动力，其中3台为真空版，3台为海平面版，未来或增至9台。“星舰”的重大改动是，整体全部改为不锈钢材料制造，成本更低，研制速度更快。

https://www.telegraph.co.uk/business/2023/04/17/spacex-starship-elon-musk-rocket-launch-texas-watch-live/

无人能及的快速迭代创新

“星舰”的研制模式不同于传统火箭，并非一次定型或者深度论证完善的型号，而是借用“互联网思维”，遵循快速试错理念，不断开发一系列原型样机，通过反复试验，快速迭代，最终完成设计、定型和飞行。“星舰”的研制过程，秉承了马斯克以超越对手的速度快速迭代创新，始终走在技术创新的最前沿。

（一）早期基础款样机试验

“星舰”早期技术验证试验于2018年在博卡奇卡试验场启动，主要采用“星跳者”（Starhopper）样机和Mk1样机完成测试。“星跳者”是配备“猛禽”发动机（仅单台）的首个样机，主要用于测试着陆技术和低空/低速控制算法。该样机完成了贮箱测试、湿彩排、燃烧前测试以及热试车，在系留试验中达到了1m的高度。2019年8月，“星跳者”最终实现了飞行高度150m，在距发射台100m的位置实现着陆。

https://www.space.com/spacex-starhopper-final-landing-photo.html

Mark系列为高空飞行样机，主要用于亚轨道飞行，测试飞行及再入能力。Mk1高约50m，配备3台“猛禽”海平面发动机。2019年11月，Mk1在试验中爆炸，随后SpaceX弃用Mk2和Mk4，于12月将Mk3更名为SN1。2020年1月，SpaceX在多次贮箱增压测试后完成了SN1的组装。不过，由于下部贮箱推力结构设计问题，SN1在2020年2月的低温增压试验中损毁。

https://www.space.com/40547-spacex-rocket-evolution.html

（二）“星舰”飞船样机试验

SpaceX对SN5和SN6样机进行了150m高度的试飞，在验证了“星舰”的导航系统、全不锈钢箭体的结构强度、新型着陆支腿等基本功能后，先后对SN8~SN11样机进行了10km级的高空试飞。从SN8开始，“星舰”样机开始采用304L不锈钢制造，仅部分部件沿用301不锈钢，且配备3台“猛禽”发动机。在SN8~SN9两次试飞中，样机均以着陆失败告终；SN10在安全着陆数分钟后就发生了爆炸；SN11表现更差，还未来得及落地就发生了爆炸。2021年5月，SN15样机终于完成发射、返回、减速、安全着陆的“重复使用”全过程，成为首次实现100%软着陆的全尺寸“星舰”。

https://www.tablety.pl/rozrywka/2021-03-07/starship-sn11-kiedy-test-spacex/

（三）“超重”助推器样机试验

BN1是首个“超重”助推器样机，后采用BN3/B3开始地面试验，并于2021年7月完成首次热试车。B7于2022年3月底首次运抵发射台，并于8月完成了首次热试车，即“超重”助推器的第二次热试车。此次试车也是升级后“猛禽-2”发动机在B7样机上的首次测试。

https://www.space.com/spacex-starship-33-engine-static-fire-preview

（四）B7/S24首飞前试验

经过多次试验后，SpaceX最终选定B7/S24执行“星舰”首飞任务。2023年初，SpaceX在“超重/星舰”的首次试飞工作取得了重大进展。1月23~24日，B7/S24组合体加注了约4800t推进剂，完成了首次全箭射前演练，并模拟了发动机点火前的发射流程。两周半后，B7全部33台“猛禽-2”发动机热试车，最终成功点燃31台发动机，产生了3580t的推力，成为火箭史上动力最强的一次热试车。这一试验也充分说明，即使关闭两台发动机，“星舰”也可以实现升空目标。

低成本可复用“光环”熠熠生辉

“星舰”系统的研制从前期的大改，到后期的小改，在指标和成本之间逐步平衡，使方案最终实现，其研发理念与设计迭代非常值得复盘研究。

（一）发动机持续改进降本增效

与“猎鹰”系列“梅林”液氧/煤油发动机不同，“星舰”采用的是“猛禽”液氧/甲烷发动机。2022年2月，SpaceX发布了“猛禽-2”发动机。该款发动机推力达230t，比“猛禽-1”的185t推力增加了45t，且后续有望进一步提高到高达250t。最重要的是，“猛禽-2机精简了设计，零部件大幅简化，且更加坚固耐用，易于生产，而成本却下降了一半。目前，SpaceX生产单台“猛禽”发动机的工时已缩短至48小时，发动机年产量可达180台，超越现役“梅林-1D”发动机，后续极有可能成为除“星链”卫星外，SpaceX产量最高的产品。除提高生产能力外，SpaceX还不断地提升测试能力，力争完成日测一台发动机的目标。

https://everydayastronaut.com/spacex-raptor-engine-comparison/

（二）不锈钢代替复合材料加快工程实现

最初马斯克提出改用不锈钢制造“星舰”时，引起了很大的争议。在以往航天材料的选择上，一直倾向于质量轻、强度高，由于“星舰”要实现可复用，那么还必须满足耐高温。“星舰”采用的304L不锈钢熔点在1398~1454℃，只需在腹部贴上隔热瓦即可，这在一定程度上减少了其总重。另外，由于“星舰”未来需要执行探月、探火计划，那就势必需要执行长时间太空飞行，不锈钢则性能稳定，即使在-160℃也能保持足够的延展性和强度。事实上，马斯克曾明确表示，选用不锈钢理由只有一条，就是价格便宜，采用碳纤维制造火箭，即使不算损耗，成本也超135美元/kg，而采用不锈钢每千克只要数美元。正是这一重要决定，使“星舰”研制成本压力减少，大大提升了工程进度。

（三）新型回收技术优化复用方案

尽管“猎鹰-9”的复用已成常态化，但其面临的问题是着陆后回收后需运回火箭整修厂，翻新、更换、检测众多零部件，其中最关键环节之一就是整修着陆腿，耗时费力，严重影响了复用周期。“星舰”发射与回收采用了新的思路，去除着陆腿，利用新型着陆回收系统Mechazilla，改用抓取方式，实现快速回收复用，缩短“星舰”发射周期，实现航班化运输。

https://gizmodo.com/spacex-starship-rocket-artemis-mechazilla-launch-guide-1850249132

颠覆航天产业应用前景

（一）卓越的低成本空间运输能力

“星舰”的功能与任务覆盖了目前近地、高轨、深空、载人等近乎全部的航天运输任务，可执行全轨道宽载荷发射任务。马斯克表示，助推器发射需2分钟，返回仅需4分钟，而飞船复用大概需耗时6~8小时，以此推算，“星舰”完全可一日3射。若“星舰”日均发射3次，1年发射总质量将为109500t。另外，实现航班化运输后，“星舰”的单次发射成本可能低于1000万美元，最终降至200美元/kg，这种发射成本及效率将会给全球发射业务带来极大压力。

（二）深不可测的军事应用潜力

“星舰”有潜力成为美国军方的移动平台。按设计，“星舰”具备1h全球抵达运输能力，即地球点对点运输能力。更为重要的是，“星舰”飞行速度快，可在大气层外飞行，不受空气阻力和天气影响，实现任意两点的快速运输。军方一直面临轮船或飞机无法解决的运输问题，低成本火箭货运服务无疑是很好的解决方案。另外，“星舰”载人着陆系统或可支持美国从根本上改变保护和捍卫太空领域的方式。目前正在热议的太空领域军事行动愿景就包括“动态空间操作”，即在不同轨道上操纵卫星和移动有效载荷的能力，“星舰”则可能在未来实现这一目标。

（三）前景广阔的在轨服务能力

“星舰”还可以发挥在轨基础设施的作用，为其他太空飞行器供给燃料，提供在轨维修或转移服务。马斯克强调，在轨加注技术将是SpaceX实现探火的关键技术之一，轨道加注版“星舰”的有效载荷能力可达200t。事实上，NASA把登月合同独家授予了SpaceX，就因为其“星舰”不仅可作为月球着陆器，还具备在轨补给加注能力，可在轨道停留长达100天。在NASA探月计划中，SpaceX将发射一艘“星舰”到近地轨道，作为其他飞行器往返于月表的燃料库，而这些基础设施也可用于国家安全。

写在最后

近年来，航天科技飞速发展，进出空间规模越来越大，航天运输系统的任务、能力和技术也在迅速升级。“星舰”是马斯克推动的两个最宏大的计划之一，它的成功对于美国政府而言意义非凡，不仅是运载能力的大幅提升，还将使美国政府和军队太空开发大幅提速，最直接的受益者就是“星链”项目。目前，受限于通信带宽还不能实现信息的完全互联互通，美国三军联合程度也受到影响。“星链”部署完成后，美军再也无需出动额外的通信支援飞机、中继飞机就可以实现全球联合一体化作战。因此，“星舰”后续发展将会加速太空军事化进程，给我国带来极大的军事压力，形成非常严重的威胁。

参考文献：

1.Starship Users’ Guide，2020

2.https://www.npr.org/2023/04/16/1169734535/spacex-prepares-to-launch-its-mammoth-rocket-starship

3.https://www.spacex.com/vehicles/starship/

4.https://www.space.com/40547-spacex-rocket-evolution