出师不利 星舰重整旗鼓备复飞

文/田丰

北京时间4 月20 日21 时许，美国太空探索技术公司研制的新型运载火箭“星舰”在美国得克萨斯州博卡奇卡的自建发射场点火起飞。火箭升空后即发现一级有多台发动机工作不正常，升空85 秒后火箭姿态失稳并开始旋转，最终解体爆炸，发射宣告失败。虽然未能完成首飞目标，但“星舰”技术指标的确刷新了运载火箭的指标纪录。那么“星舰”采用了哪些新技术、新设计？这款运力强悍的运载火箭有着怎样的应用前景呢？

▲ 星舰首飞

▲ 升空85 秒后火箭姿态失稳并开始旋转，最终解体爆炸

首飞不顺，自毁解体

“星舰”全箭直径9 米，高约120 米，箭体材料主要采用不锈钢。第一级被称作“超重型助推器”，高达69 米，可加注推进剂3400 吨，起飞总推力达到了惊人的7590吨，是“阿波罗计划”使用的土星5 号重型火箭的2 倍多。第二级实际上是特殊的飞船，高约50 米，可加注推进剂1200吨，推力1500 吨左右。此外，“星舰”取消了整流罩，在第二级顶部设置有类似航天飞机的可开合式载荷舱，因此具备一定的载荷下行能力。

为了驱动庞大的箭体，“星舰”全箭共使用了36 台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机和3 台真空推力285 吨的真空版“猛禽”，这也是人类首款实用化的全流量分级燃烧循环发动机。太空探索技术公司宣称“星舰”在两级全回收模式下的近地轨道运力不低于100 吨，一次性发射模式下运力最高可达250 吨。

▲ 此次首飞的“星舰”一级B7 进行静态点火的实拍画面 来源：SpaceX

▲ 此次首飞的“星舰”二级S24 进行静态点火的实拍画面 来源：SpaceX

▲ 左：海平面版猛禽发动机，右：真空版猛禽发动机 来源：SpaceX

▲ “星舰”二级头部密布的隔热瓦 来源：Nasaspaceflight

按照原定的首飞计划，“星舰”在火箭一二级顺利分离后，其第一级像猎鹰9 火箭第一级返场回收一样，完成调头、点火、反推等流程。不过，出于安全性考虑，此次“星舰”第一级实际上不回收，而是下落至距发射场不远的墨西哥湾海面上，再次启动反推，并缓缓落海。“星舰”第二级则在绕地球飞行大半圈后再入大气层，并以类似航天飞机的姿态返回，隔热瓦在承受再入高温后，保护第二级进入大气内滑翔并最终坠落于夏威夷附近海面，完成验证使命。严格意义上，原计划中“星舰”第二级并未完全进入绕地轨道，但“星舰”若想入轨，只需第二级稍微推迟关机并抬高轨道近地点即可。选择“半圈再入”，是为了更稳妥地验证防热、再入等性能，避免猛禽二次启动失败带来的风险。

但实际发射中火箭一二级尚未分离就已告失败，而发射过程也确实有多处异常。根据马斯克公布的初步调查情况，起飞阶段就有3 台发动机因状态不佳而没有启动，因此导致火箭推力损失。从直播视角可见，火箭升空离架过程缓慢，推力不平衡也导致火箭起飞姿态倾斜，好在后续飞控进行了修正。起飞后27 秒，一台猛禽发动机发生爆炸，并殃及周边发动机防热板，导致其他发动机也异常关机。根据设计，“星舰”一级发动机的中圈10 台和内圈3 台发动机可在液压装置驱动下进行双向摆动，加之飞控的自适应控制，实现箭体转弯，维持姿态以及弥补推力不平衡的作用。然而该系统在发射后第85 秒出现致命问题，液压装置失效导致发动机无法摆动，之后箭体姿态开始发散并旋转。随后发送自毁指令，但系统效果未达预期，延迟40 秒后才使火箭凌空爆炸并解体。

“星舰”首飞堪称2023 年最受关注的航天发射活动。一是因为“星舰”刷新了重型火箭诸多纪录，从推力、起飞重量、运力等方面全面超越了航天史上所有实用化的火箭型号。二是由于“星舰”设计理念非常激进，集成了多项未经验证的新技术。此次发射若是成功，则“星舰”将成为航天史上第一款可完全重复使用的运载火箭，又是首款成功入轨的液氧甲烷火箭。可惜天不遂人愿，一二级尚未成功分离就折戟沉沙。

以飞代试，迭代改进

“星舰”的主要目标是在猎鹰系列火箭回收技术的基础上，继续以指数级降低发射成本，提高发射频率，同时加速太空探索技术公司巨型低轨互联网星座“星链”的组网发射。

不过，“星舰”的任务预计将远不止“星链”项目，利用快速复用发射和在轨加注设计，有望载人驶向更遥远的深空。2021 年4 月，“星舰”在竞标中击败了强劲对手，将改造为“阿尔忒弥斯计划”的载人登月舱。此外，“星舰”还是美军“全球快速投送”项目的目标载具，试图将80吨载荷在1 小时内投送到全球任何地方。更重要的是，“星舰”将是太空探索技术公司成立以来一直宣传的载人登火蓝图的实践者。由此可见，“星舰”是名副其实的“重任在肩”。

▲ 直播画面显示最多有6 台失效，但仔细看火箭尾部照片即可发现，箭头所指还有2 台发动机火焰偏暗

太空探索技术公司对“星舰”的研发几乎是倾其所有。可以说，整个公司的命运都系于“星舰”项目的成败之上。

自2002 年太空探索技术公司成立以来，马斯克就不断宣传“火星梦”，变相提升了执行载人登火任务的重型火箭关注度。随着猎鹰9 火箭成功回收，太空探索技术公司羽翼渐丰。在2016 年国际宇航大会上，马斯克首次公布了用于载人登火的“行星际运输系统”。但因发射规模过大，技术指标过高，导致后期设计方案一变再变，火箭规格也一缩再缩。

2017 年，火箭改名为“大猎鹰火箭”，指标初步确定为近地轨道运力100 吨级，贮箱使用高强度、低密度的碳纤维复合材料。2018 年，日本富豪前泽友作斥巨资买票，宣布了“绕月之旅”计划。不过，仅5 个月后，太空探索技术公司再次推翻了设计方案，将贮箱材料改为当前火箭型号上少有的低成本商用级不锈钢，并正式更名为“星舰”。

▲ 在2016 年国际宇航大会上，马斯克首次公布了用于载人登火的“行星际运输系统”。

▲ 2018 年的“绕月之旅”发布会，右侧为日本富豪前泽友作

不锈钢方案敲定后，“星舰”研发正式驶入快车道。2018 年底，“星舰”原理样机“星跳者”曝光，试飞高度仅有数十米。从此，太空探索技术公司沿用“快速迭代”和“以飞代试”模式，建造了大量“星舰”原型箭，并开展各种试验。总体来看，相关项目推进迅速，但也代价高昂，仅在10千米亚轨道试飞阶段就遭遇了重大挫折，连续4 次试飞爆炸，直到原型箭SN15 才首次成功着陆。至于其他原因导致炸掉或报废的各类试验品、原型箭，更是数不胜数，就连理论上可以发射的SN20 与B4 组合体都因为设计快速迭代而废弃。

不过，“星舰”项目团队为何坚持采用长期稳坐“冷板凳”的液氧甲烷推进剂呢？首先是液氧甲烷的推进效率高，推进剂的理论比冲高达390秒，仅次于液氢液氧推进剂。第二个主要因素是液氧甲烷推进剂燃烧无积碳，点火机构设计更容易，便于发动机回收复用。第三，甲烷的比热容较高，综合冷却性能达到煤油的3 倍以上。第四，甲烷与液氧的沸点相差不到20摄氏度，贮箱间的隔热需求大幅下降，可以更方便地引入共底设计，减轻结构重量。

除了以上4 点外，还要考虑到甲烷成本低廉，目前主要由天然气提纯获取，相比液氢，堪称“白菜价”。尤其是对于“星舰”这种需要加注数千吨推进剂的重型火箭来说，液氧甲烷推进剂的省钱效应可谓“立竿见影”。

直播“归零”，准备再试

星舰首飞结束仅一周后，太空探索技术公司创始人埃隆·马斯克举办了一场在线“归零”直播，公布了部分首飞情况。总的来讲，马斯克认为这次发射很接近他的预期。

▲ 高120 米的完整火箭，因为迭代太快，直接报废

谈及备受关注的发射台受损情况时，马斯克表示团队并没有预料到发射台下的混凝土会被吹飞，因为前期静态点火并未导致类似情况发生。不过，太空探索技术公司认为星舰发射台的受损情况实际较小，底部坑洞可以快速填补修复。此外，发射塔状况良好，塔架虽被多块混凝土击中，但并未出现明显损坏。针对后续，马斯克称仍不考虑修建通常发射台配备的导流槽，而是选择在现有发射台下方铺设钢板，并在钢板下配备水冷管道。并解释称因为星舰的有效载荷远离发动机（高120 米），因此导流槽的降噪效果并不重要。此外，研发团队还决定加速火箭启动和起飞过程，以防止超预期冲蚀底座的情况出现。

针对火箭本身，马斯克透露星舰的结构强度裕量超出预料，这从最后阶段翻滚多圈而不解体中可见一斑。此外，星舰起飞阶段允许的最小发动机数量为30 台，而此次发射中未能启动的3 台发动机是因不能达到满推力，被主动关闭。而星舰起飞偏航正是因为发动机失效导致的推力不平衡，好在飞控系统及时予以修正。

火箭未能顺利分离的核心原因正是中途失去了发动机矢量控制系统（摆动装置），最终导致火箭姿态失稳不停“翻跟头”，同时高度、速度均不满足分离条件，才导致火箭一直未能分离。针对此次发动机摆动装置失效，自B9 开始将从液压驱动改为分立的电机驱动，以防止单点失效。还有为减少发动机失效，后续将选用更稳定批次的猛禽发动机。

根据太空探索技术公司的一贯风格，公司绝不会止步于此次挫折，公司事前就已预料到首飞的巨大风险，而后续的试飞“星舰”已经在厂房内总装。针对后续的试飞，马斯克透露后续任务目标是获得尽可能多的数据，因此暂时不会有任何有效载荷，而且2023 年的“星舰”研发和试验预计将耗资20 亿美元。但其也一再声称，“星舰”不会成为“阿尔忒弥斯-3”登月任务中最“拖后腿”的项目。复飞准备耗时最长的可能是自毁系统的重新鉴定，因为此次发射中自毁系统启动40 秒后贮箱才解体，这显然是监管部门难以接受的。

挑战重重，未来可期

代价高昂的迭代研发策略加速了“星舰”的进度，但由于引入了大量仍需验证的新技术，导致其首飞日期不断推迟。此次首飞最早原定于去年进行，然而因监管和发射台改造进度一直延误至今。专门适配“星舰”的二代星链卫星已经等不及，太空探索技术公司推出一版可以适用于猎鹰9火箭整流罩的mini 版二代星链卫星，并已开始组网。

二代星链mini 版单星质量高达790 千克，是现有1.5 版本的两倍还多。当然适配“星舰”版本的重量更大，消息表示单星重量已经逼近2 吨，但受限于“星舰”进度，至今只能堆在厂房里。“星舰”进度拖延不仅耽误了第二代星链卫星的组网进度，还拖累了美国重返月球大业。传统意义上，成功首飞入轨对于新型火箭就算是“大功告成”，但对“星舰”来说，即使首飞成功也只是万里长征第一步，其后服役、改进历程仍将是道阻且长。

▲ 马斯克认为这次发射很接近他的预期

▲ 发射台下部被喷出的大坑

▲ 星舰开始翻滚

▲ 猛禽发动机试车

▲ 从网友拍摄的视频可见，星舰起飞就是歪的

为达成预期目标，“星舰”后续仍需大量试飞、改进，首先要攻克的难关就是两级分别被精确地捕获、回收。接下来，针对载人任务，“星舰”团队必须积累足够的可靠性数据，增设必要的维生和逃逸设备，定型载人版“星舰”。

为执行深空任务，满足在轨加注需求，团队需要设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版“星舰”。而为了兑现给美国宇航局的合同承诺，团队要打造精简掉所有大气层再入设备的登月版“星舰”。以上构型想要成真，最关键的前提是实现“星舰”的廉价、快速和可靠的重复使用。可以说，这是“星舰”项目的最终挑战，也是其不断迭代的终极目的。

▲ 星舰待发

▲ 此次“星舰”首飞最早原定于去年进行，然而因监管和发射台改造进度一直延误至今

▲ 太空探索技术公司还需要打造载人登火版“星舰”

最后，太空探索技术公司还需要打造载人登火版“星舰”。它将验证原位资源利用技术，即不携带返程推进剂，“轻装”着陆火星表面，然后就地取材，通过萨巴蒂尔反应制取返程推进剂。结合在轨加注低温推进剂技术，载人登火版“星舰”有望将单次向火星表面投送载荷质量从1 吨级提升至100 吨级。

总体来看，“星舰”完全回收、快速复用的设计理念对其他火箭型号发展起到了积极的示范和促进作用，但随着“星舰”后续进入轨道级发射阶段，大量创新理念和设计有待落地，各项飞行试验的成本也将以指数级上升，这是“星舰”融合了过多新技术的必然代价。

太空探索技术公司还宣称有信心在今年完成入轨发射，这种愈炸愈勇的风格或许正是其在20 年间迅速崛起的原因之一，同时也警示人们：航天创新永远是机遇与风险并存。“星舰”的未来道阻且长，其激进的设计思路能否使其实现目标，基于“星舰”的登月舱能否让航天员安全往返月面和出发站，“星舰”能否帮助仍在亏损的“星链”项目渡过难关，“星舰”又能否促进“火星梦”成真，这一切都有待时间去验证。