引 言
超重-星艦（Super Heavy-StarShip）運輸系統是SpaceX公司正在研制的重點項目，該運輸系統未來將替代SpaceX現有的法爾肯9和法爾肯重型火箭，可用于執行包括衛星發射、軌道空間站補給與維護、全球“點到點”超快速客運服務以及火星殖民等任務。
SpaceX公司預計在2021年完成首次軌道飛行，最早在2023年執行首次載人繞月飛行任務，計劃最早在2024年執行火星貨運任務，2027年執行火星載人任務。
超重-星艦系統方案和最新研制進展
超重-星艦系統方案由SpaceX公司創始人艾倫·馬斯克在2016年公布，經過幾次重大的修改，從公布之初的星際運輸系統（ITS）方案，到2017年的超重法爾肯火箭（BFR）方案，直至目前的超重-星艦方案，在不斷修改中逐漸向可實現的方向發展。
超重-星艦采用船箭一體化設計，包括超重火箭級和星艦飛船級。運載能力為100 t+。能將100人送往月球、火星或其它遙遠目的地，或是繞地球飛行。系統全長120 m，起飛質量為5 000 t，起飛推力7 400 t（約合72.52 MN），兩級均可重復使用。
（1）超重火箭級：高70 m，直徑9 m，推進劑加注量為3 300 t，設有4個柵格舵（外型由矩型改為菱形），并設4個固定尾翼兼著陸支腿。將采用猛禽液氧/甲烷發動機，但發動機數量經多次修改，目前仍在論證中。據SpaceX創始人艾倫·馬斯克透露，火箭級發動機數量可能是28臺。
（2）星艦飛船級：高50 m，直徑9 m，采用6臺猛禽液氧/甲烷發動機，推進劑加注量為1 200 t，采用雙鴨翼+雙尾翼，設6個可伸縮著陸支腿。鴨翼和尾翼均改成梯形，以提高著陸時的翼面控制效率。迎風面防熱由氣膜主動冷卻改為防熱瓦。
（3）研制進展：在超重-星艦系統的研制過程中，SpaceX遵循快速分階段驗證迭代式研制模式、驗證設計概念和方案的可行性。從項目的公布到首架星艦驗證機的建成僅僅用了3年的時間。該項目自2019年3月進入密集測試階段，截止目前已完成對多臺9 m直徑的星跳號驗證機和MK全尺寸原型機的測試，并對多架SN系列原型機進行了飛行測試。實現了原型機的150 m低空飛行和10 km級高空飛行，并在試驗中實現了軟著陸。驗證了星艦導航系統、全箭不銹鋼箭體的結構強度、新型著陸支腿以及其他一些基本功能。有力地證明了SpaceX公司采取的迭代式研制模式的有效性。
而“超重”火箭級原型機的制造工作由于受到生產能力的限制直到2020年10月才得以啟動。目前已經制造三枚原型機，分別是：超重BN-1、BN-2和BN-3，其中BN-2可能將搭載星艦SN20原型機進行軌道飛行測試。
技術特點分析
（1）采用爭議較大的全箭不銹鋼結構設計
從2016年首次方案公開到2018年底，SpaceX一直都宣稱該星際運輸系統將采用碳纖維復合材料。但在2018年末突然宣布，改用近些年并不常見的不銹鋼材料，并立即報廢了曾經用重金購買的復合材料工裝。給出的理由是從太空超低溫到重返大氣層的高溫狀態，全不銹鋼箭體的可用強度與質量比，要比碳纖維、鈦合金等航天材料表現更好，只是在常溫時不如后兩者。不同于半人馬座上面級的不銹鋼氣壓設計，超重-星艦采用軸壓設計，貯箱在不加注時仍可以保持結構完整。同時，貯箱還要反復加注泄放過冷甲烷和液氧，這都是之前業內鮮有應用的設計。最初，星艦驗證機所采用的是高質量301級不銹鋼。但在2020年6月，SpaceX利用SN7原型機貯箱進行了低溫加壓試驗，驗證了另一種不銹鋼材料（據稱與304L類似），得出結論是這種不銹鋼材料在低溫下具有更強的延展性和韌性。
（2）采用猛禽液氧/甲烷發動機
超重-星艦采用的猛禽液氧/甲烷發動機為全流量補燃循環發動機。該發動機設計推力為1 993 kN，約為法爾肯9火箭使用的隼1D發動機的2.5倍。發動機比沖330 s，主燃燒室壓力超過250 bar（25 MPa），具備高比沖、深度節流的特點。一旦投入使用，將有望成為第一款投入實用化的液氧/甲烷發動機，也是第一款全流量補燃循環發動機。根據馬斯克的說法，單臺猛禽發動機設計可執行1 000次飛行，幾乎無需維護。采用甲烷燃料具有以下優點：首先，燃燒起來比法爾肯9火箭使用的煤油更清潔，因此發動機上的焦化更少，有利于重復使用。其次，價格便宜并且可以在火星上提取，能夠滿足未來探火的需求。
（3）采用新的回收方式
超重-星艦系統為完全可重復使用運載器，其火箭級與飛船級均可回收。其中，星艦飛船級設計采用了與此前截然不同的回收方案。
當從軌道返回時，星艦不以垂直姿態進入大氣層，而是以60°傾斜的姿態及25倍音速的超高速度“躺著”進入大氣層。星艦將由四個單獨控制的襟翼精確引導下降。其中兩個為鴨翼在鼻錐上，兩個尾翼在船尾部分。根據馬斯克的說法，“在超音速狀態下產生升力，這對限制峰值加熱非常重要”。換句話說，星艦將盡可能最大限度地利用空氣制動。最終在接近地面時還將進行一次大幅機動，點燃猛禽發動機進行翻轉，最后垂直到達地面進行精確著陸。星艦的回收比法爾肯９火箭一子級的回收要困難得多，但如果SpaceX公司能做到這一點，將會是革命性的突破。
圖1 星艦著陸剖面
（4）采用防熱瓦設計
由于不銹鋼的熔點較高，新的不銹鋼超重-星艦設計與碳復合材料相比，需要的熱防護措施較少，從而彌補了鋼具有更高質量的這一缺點。飛船從低軌道返回時，表面約20％的部分將暴露在最高溫度約1 476 ℃的環境中，另外20％最高溫度至1 326 ℃，其余表面最高溫度將低于1 176 ℃，這是不銹鋼無需任何額外冷卻即可承受的溫度。再入時箭體所承受的溫度最高不超過330 ℃，發動機部分周圍的溫度不超過925 ℃，可采用被動輻射冷卻來應對。這意味著星艦的背風側不需要任何隔熱層。
而在迎風面，最初馬斯克曾設想使用雙層不銹鋼外殼+液膜冷卻來實現防熱。但最終SpaceX研發團隊還是決定采用堅固的并可重復使用的防熱瓦，從而使系統整體更輕。迎風面防熱結構將大部分由六邊形防熱瓦組成。選擇這種形狀是因為這樣“它沒有能夠讓熱流加速通過的直線路徑間隙”。
SpaceX并未透露防熱瓦所采用的材料，而根據SpaceX與NASA Ames研究中心的合作協議推測，SpaceX很可能在星艦上采用該中心所擁有的新型TUFROC防熱材料（增韌型單片纖維增強抗氧化復合材料），該材料用于美國空軍試驗航天器X-37B的翼面前緣，經過飛行驗證，且TUFROC-X可直接貼敷于不銹鋼材料，工藝上相較碳纖維結構有所簡化。
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