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超重-星舰运输系统及其未来影响简析

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引 言

超重-星舰(Super Heavy-StarShip)运输系统是SpaceX公司正在研制的重点项目,该运输系统未来将替代SpaceX现有的法尔肯9和法尔肯重型火箭,可用于执行包括卫星发射、轨道空间站补给与维护、全球“点到点”超快速客运服务以及火星殖民等任务。

SpaceX公司预计在2021年完成首次轨道飞行,最早在2023年执行首次载人绕月飞行任务,计划最早在2024年执行火星货运任务,2027年执行火星载人任务。

超重-星舰系统方案和最新研制进展

超重-星舰系统方案由SpaceX公司创始人艾伦·马斯克在2016年公布,经过几次重大的修改,从公布之初的星际运输系统(ITS)方案,到2017年的超重法尔肯火箭(BFR)方案,直至目前的超重-星舰方案,在不断修改中逐渐向可实现的方向发展。

超重-星舰采用船箭一体化设计,包括超重火箭级和星舰飞船级。运载能力为100 t+。能将100人送往月球、火星或其它遥远目的地,或是绕地球飞行。系统全长120 m,起飞质量为5 000 t,起飞推力7 400 t(约合72.52 MN),两级均可重复使用。

(1)超重火箭级:高70 m,直径9 m,推进剂加注量为3 300 t,设有4个栅格舵(外型由矩型改为菱形),并设4个固定尾翼兼着陆支腿。将采用猛禽液氧/甲烷发动机,但发动机数量经多次修改,目前仍在论证中。据SpaceX创始人艾伦·马斯克透露,火箭级发动机数量可能是28台。

(2)星舰飞船级:高50 m,直径9 m,采用6台猛禽液氧/甲烷发动机,推进剂加注量为1 200 t,采用双鸭翼+双尾翼,设6个可伸缩着陆支腿。鸭翼和尾翼均改成梯形,以提高着陆时的翼面控制效率。迎风面防热由气膜主动冷却改为防热瓦。

(3)研制进展:在超重-星舰系统的研制过程中,SpaceX遵循快速分阶段验证迭代式研制模式、验证设计概念和方案的可行性。从项目的公布到首架星舰验证机的建成仅仅用了3年的时间。该项目自2019年3月进入密集测试阶段,截止目前已完成对多台9 m直径的星跳号验证机和MK全尺寸原型机的测试,并对多架SN系列原型机进行了飞行测试。实现了原型机的150 m低空飞行和10 km级高空飞行,并在试验中实现了软着陆。验证了星舰导航系统、全箭不锈钢箭体的结构强度、新型着陆支腿以及其他一些基本功能。有力地证明了SpaceX公司采取的迭代式研制模式的有效性。

而“超重”火箭级原型机的制造工作由于受到生产能力的限制直到2020年10月才得以启动。目前已经制造三枚原型机,分别是:超重BN-1、BN-2和BN-3,其中BN-2可能将搭载星舰SN20原型机进行轨道飞行测试。

技术特点分析

(1)采用争议较大的全箭不锈钢结构设计

从2016年首次方案公开到2018年底,SpaceX一直都宣称该星际运输系统将采用碳纤维复合材料。但在2018年末突然宣布,改用近些年并不常见的不锈钢材料,并立即报废了曾经用重金购买的复合材料工装。给出的理由是从太空超低温到重返大气层的高温状态,全不锈钢箭体的可用强度与质量比,要比碳纤维、钛合金等航天材料表现更好,只是在常温时不如后两者。不同于半人马座上面级的不锈钢气压设计,超重-星舰采用轴压设计,贮箱在不加注时仍可以保持结构完整。同时,贮箱还要反复加注泄放过冷甲烷和液氧,这都是之前业内鲜有应用的设计。最初,星舰验证机所采用的是高质量301级不锈钢。但在2020年6月,SpaceX利用SN7原型机贮箱进行了低温加压试验,验证了另一种不锈钢材料(据称与304L类似),得出结论是这种不锈钢材料在低温下具有更强的延展性和韧性。

超重-星舰

(2)采用猛禽液氧/甲烷发动机

超重-星舰采用的猛禽液氧/甲烷发动机为全流量补燃循环发动机。该发动机设计推力为1 993 kN,约为法尔肯9火箭使用的隼1D发动机的2.5倍。发动机比冲330 s,主燃烧室压力超过250 bar(25 MPa),具备高比冲、深度节流的特点。一旦投入使用,将有望成为第一款投入实用化的液氧/甲烷发动机,也是第一款全流量补燃循环发动机。根据马斯克的说法,单台猛禽发动机设计可执行1 000次飞行,几乎无需维护。采用甲烷燃料具有以下优点:首先,燃烧起来比法尔肯9火箭使用的煤油更清洁,因此发动机上的焦化更少,有利于重复使用。其次,价格便宜并且可以在火星上提取,能够满足未来探火的需求。

(3)采用新的回收方式

超重-星舰系统为完全可重复使用运载器,其火箭级与飞船级均可回收。其中,星舰飞船级设计采用了与此前截然不同的回收方案。

当从轨道返回时,星舰不以垂直姿态进入大气层,而是以60°倾斜的姿态及25倍音速的超高速度“躺着”进入大气层。星舰将由四个单独控制的襟翼精确引导下降。其中两个为鸭翼在鼻锥上,两个尾翼在船尾部分。根据马斯克的说法,“在超音速状态下产生升力,这对限制峰值加热非常重要”。换句话说,星舰将尽可能最大限度地利用空气制动。最终在接近地面时还将进行一次大幅机动,点燃猛禽发动机进行翻转,最后垂直到达地面进行精确着陆。星舰的回收比法尔肯9火箭一子级的回收要困难得多,但如果SpaceX公司能做到这一点,将会是革命性的突破。

星舰着陆剖面

图1 星舰着陆剖面

(4)采用防热瓦设计

由于不锈钢的熔点较高,新的不锈钢超重-星舰设计与碳复合材料相比,需要的热防护措施较少,从而弥补了钢具有更高质量的这一缺点。飞船从低轨道返回时,表面约20%的部分将暴露在最高温度约1 476 ℃的环境中,另外20%最高温度至1 326 ℃,其余表面最高温度将低于1 176 ℃,这是不锈钢无需任何额外冷却即可承受的温度。再入时箭体所承受的温度最高不超过330 ℃,发动机部分周围的温度不超过925 ℃,可采用被动辐射冷却来应对。这意味着星舰的背风侧不需要任何隔热层。

而在迎风面,最初马斯克曾设想使用双层不锈钢外壳+液膜冷却来实现防热。但最终SpaceX研发团队还是决定采用坚固的并可重复使用的防热瓦,从而使系统整体更轻。迎风面防热结构将大部分由六边形防热瓦组成。选择这种形状是因为这样“它没有能够让热流加速通过的直线路径间隙”。

SpaceX并未透露防热瓦所采用的材料,而根据SpaceX与NASA Ames研究中心的合作协议推测,SpaceX很可能在星舰上采用该中心所拥有的新型TUFROC防热材料(增韧型单片纤维增强抗氧化复合材料),该材料用于美国空军试验航天器X-37B的翼面前缘,经过飞行验证,且TUFROC-X可直接贴敷于不锈钢材料,工艺上相较碳纤维结构有所简化。

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