SpaceX星舰：大型猎鹰火箭的不停顿进化（一）

自2012年以来，SpaceX一直在致力于可重复使用的火箭系列（现称为Starship）的开发，该系列最终将取代其动力强劲的Falcon 9系列。 它的设计已经发展成为一种雄心勃勃的火箭，它比古老的土星五号火箭更大，而且用途更多。 当它发射时，它将成为世界上最大的航天运载工具，其总重量为5000吨，是世界上最大的客机空中客车A380的八倍多。

将其推离发射台的将是28台Raptor猛禽发动机。其产生的推力超过惊人的50架A380（75,315 kN / 7685吨）。 仅星际飞船的上层级的质量就达到整个重型猎鹰的92%，而其可重复使用的货运型飞船的150吨有效载荷将需要五个可重复使用的重型猎鹰发射。 它的货舱足够大，可以吞下旅客机车或隧道掘进机。

载人型星际飞船将在1000立方米的加压舱室中容纳至少100位乘客，这比国际空间站的数量大9％。 这种飞船可以在60分钟或更短的时间内实现地球上任意两点的高超音速旅行。

对于低地球轨道（LEO）以外的任务，将需要加油飞船，从而能够回收和修理卫星以及绕月球，火星及以后的任务。 由于有可能将飞行任务的成本削减到目前水平的一个零头，因此，星舰的首次亮相可能预示着太空飞行的新纪元。

感谢NASASpaceflight.com（NSF）的幕后 道，以及经公开信息以及Elon Musk定期发布新推文，SpaceX对建造方法的透露，我们现在已经能够通过12个已知版本追踪其进展。

我们下面将介绍七年来的设计变更，包括有关材料，内部思考和自NSF关于SpaceX的Big Falcon Rocket（BFR）的第一篇综合文章于2018年8月9日发表以来星舰上级设计迭代的新信息。此外，我们还将 道最新的进展新闻。

构想阶段（2006-2012）

2006年，在努力发射28吨Falcon 1火箭的同时，成立4年的SpaceX被美国国家航空航天局（NASA）授予种子资金去建造一台更大的10引擎火箭 – 猎鹰9号，火箭第一级为9引擎，第二级为1引擎。 同时，取消了较小的猎鹰5号火箭的计划。

不过，在决定开发Falcon 9之前，马斯克已计划最终制造一种称为BFR的产品，即“大型Falcon火箭”。 据Musk传记作家Ashlee Vance说，当时的计划是开发一种有史以来最大的火箭发动机。 值得记住的是，当时SpaceX还未开发成功的猎鹰1火箭的质量还不到土星五登月火箭的1/100。

早期来自SpaceX的PPT标明猛禽是一个使用液氢燃料的发动机

2009年6月18日，SpaceX的Max Vozoff在美国航空航天学院（AIAA）的“轨道创新：商业船员和货物运输探索”活动中首次公开提及Raptor猛禽火箭发动机。 但是，它当时尚未与BFR相关，被认为是Falcon 9的氢氧高级发动机。

大型Falcon X，Falcon X Heavy和Falcon XX超重型运载火箭的概念构想也在2010年联合推进会议上提出。 它们将由超大型Merlin 2发动机提供动力，产生7,565 kN（772吨）的推力，在海平面的比冲为285.0秒，在真空下的比冲为321.4秒。

FalconXX – as shown by SpaceX

这些火箭实际上将是由梅林1发动机推动的SpaceX猎鹰9火箭的的大表亲，它们是使用简单的燃气发生器循环的煤油/液氧燃烧器。 演讲后不久，马斯克否认所介绍的想法是未来火箭的确定计划。 随后的事件表明，它们实际上是星舰的前身。

2011年6月，工程师Jeff Thornburg被任命负责Raptor猛禽发动机的开发，并组成了一个小团队。 由于优先级较低，其发展进展缓慢。

第一版：火星移民运输机 – 2013年10月

到2012年10月，随着SpaceX引擎专业知识的增长和财务状况的改善，Raptor猛禽变成了比Merlin 1引擎强大几倍的引擎。 多架猛禽发动机将为未来的名为“火星移民运输机”的火箭提供动力，该火箭能够将150至200吨的重物提升至低地球轨道。

之后一个月，马斯克宣布猛禽将成为甲烷/液氧(methalox)发动机。 Methalox的优点是可在火星上生产，比氢更易于存储和处理，与煤油/液氧相比，在燃烧室中更不易结焦，并且在过冷处理时，每单位推进剂质量仅增加21％的体积。 发动机的循环从燃气发生器改为分级燃烧循环，这种结构比较复杂，但有更高的效率和推力。

分级燃烧循环发动机使推进剂流过两个或多个燃烧室，在燃烧室中分级燃烧。 这具有以增加的复杂性为代价的更高的燃料效率（以特定脉冲来测量）的优点。 2013年10月，“猛禽”的第一个推力数字至少为2,942千牛（300顿）。

在最早的版本中，火箭主体结构是由锂铝合金制成的。铝合金的优点是可搅拌摩擦焊接，整体上具有均匀的特性，比碳纤维更耐损坏，并且强度/重量比通常良好。 但是，随着SpaceX改进设计，其工程师会发现简单放大Falcon 9的建造方法的弊端。

NSF之前的研究表明，这枚火箭9.8米直径单核版本只能举起120吨，低于SpaceX声称的150-200吨。 一个重达5440吨，由28架Raptor发动机提供动力的三核版本将能够将超过286吨的重物提升至LEO。 单核和三核将能够分别发射相当于满载的波音757-200和麦道公司的MD-11ER。

第二版：火星移民运输机 – 2014年3月

2014年2月，马斯克表示，火星移民运输机的有效载荷是大型行星际飞船，能够容纳100吨货物和人员。

2014年3月，SpaceX推进器部副总裁汤姆·穆勒（Tom Mueller）确认了一个猎鹰9风格的发动机配置，其中核心级有9架猛禽发动机，第二级有1架。 穆勒还宣布将猛禽发动机的推力提高到4,448 kN（454吨），并为火箭选择10米直径。

猛禽发动机还将采用一种很少使用但高效的燃烧循环，称为全流量分级燃烧。 这意味着Raptor发动机将是一个分级燃烧循环发动机，同时具有富氧化剂和富燃料的预燃器，每个预燃器均由单独的涡轮机驱动·。 而这些涡轮机将由推进剂供气，从而提供更多动力。 好处包括更低的涡轮机温度和更低的压力，从而提高可靠性并延长发动机寿命。 缺点可能包括更大的复杂性。

NSF的最新评估表明，该版本推力的增加将使单核的提升能力提高至LEO 174吨。 一种简单的可视化方法是想象单核版本将几乎满载的波音767-200ER升入轨道。

第三版：火星移民运输机 – 2014年5月

2014年5月，在德国科隆举行的太空推进会议上提供了Raptor发动机的更多详细信息。 猛禽的海平面推力增加到了6,914 kN（706吨）。 Raptor的真空版本的推力为8,238 kN（841吨），比冲值为380秒。 结果是火箭的推力跃升至62,223 kN（6350吨），这将导致LEO的有效载荷容量至少为270吨。 这大致等于将载有335名乘客的空客A340-300送入轨道。

第四版：火星移民运输机 – 2014年6月

2014年6月，随着SpaceX开始Raptor组件测试，穆勒将Raptor发动机的推力修改为7,414 kN（756吨），可与有史以来最强大的火箭发动机媲美。 结果，火箭的总推力进一步增加了7.2％，达到66,723 kN（6810吨）。

此外，有迹象表明，SpaceX不再考虑采用多核设计，而是专注于单个大核，其考虑的直径范围为10至15米。 造成这种转变的主要原因可能是由于与多核相比，单核因重复使用造成的性能损失要小得多。

在推力提升之后，NSF评估显示，正在考虑的任何单核变体都能够将LEO提升300吨以上，重复使用情况下，能力约为其一半。

第五版：火星移民运输机 – 2015年10月

2015年1月，SpaceX改变了方向，突然将Raptor发动机的推力降低至2,256 kN（230吨），尽管除了发动机变得很多之外，没有提及火箭整体推力或设计的变化。

SpaceX最初的第二级手绘草图之一是一个简单的15米宽飞船舱，边缘装有15个Raptor引擎，每个引擎都具有2.89 m（9.5英尺）的喷嘴。 货物和机组人员将置于推进剂罐下方。 一个直径13米的球形液氧罐将位于顶部，而液化甲烷罐则位于其下方。像它的所有后续设计一样，它将以侧面重入行星的大气层。 这是因为侧面进入具有良好的进入，下降和着陆（EDL）性能，而以飞船底部进入的方式则使保护发动机免于再次进入时的过热非常困难。

SpaceX最终拒绝了最初的飞船设计，因为它需要更长的穿越乘客区域的燃料管线，更大的质量以及更恶劣的乘客环境。 接下来，该公司考虑了不少于四个第二级版本，每个版本都有位于顶部的小型球形燃料罐用于着陆。 这些将有助于火箭避免在高速下降期间因推进剂晃动而熄火。 从那时起，第二级的每个已知版本都提到了具有这些顶部球形燃料罐的可能性。

所考虑的第一个第二级版本是由15个Raptor发动机提供动力的直径15 m（49.2英尺）的飞船。 猛禽发动机将环绕飞船的底部周边，每个向外向外倾斜15度。

推进剂罐将自上而下位于火箭的中心。 液氧罐将在液化甲烷罐的上面，并完全充满火箭的顶部。 副货仓将围住火箭氧气罐的底部，并使乘员与氧气罐分开。 而乘员将被安置在一个环形的压力容器中，该压力容器环绕着甲烷罐的上半部分。

主货仓将在船员正下方，围住甲烷罐的下半部分。 单个氧气推进剂管将穿过整个甲烷罐的长度。 猛禽发动机装在主要货物区域的下方。 甲烷罐并未到达星舰底部，这留给环形分布猛禽发动机一个相对空的结构空间。

第二个版本的特点是，三个Raptor发动机以三角形模式排列在12个发动机的外环之内。 这个版本的顶部也有氧气罐。 但是，它的甲烷罐占据了整个星的宽度，还有一条氧气管穿过其中。 尽管该设计的推进剂罐比以前的版本要高，但它占据的垂直空间要少得多。

一对推进剂管道穿过主要货物区域，占据了第二个版本的大部分长度。 一个环形的船员压力仓将被搁置在主货仓的上半部分之外。 较小的副货仓会将机组人员与上方的推进剂舱分隔开。 主货仓将在基座上，并占据星舰的整个宽度。

第三个版本与第二个版本在布局上相似，但更窄和更高。 它有五个以五边形形式安装在中央的Raptor引擎，这些引擎由另外10个Raptors在外面围成一圈。

早期Starship的第四个版本比第三个版本更高，更窄。 该版本是唯一将推进剂罐放置在星舰底部的版本。 甲烷罐和氧气罐都占用了整个火箭的宽度，氧气推进剂管也穿过甲烷罐。 主货仓位于氧气罐上方，并占满火箭的整个宽度。 乘员舱位于它上面，也占据了的整个火箭宽度。 副货仓位于机组人员上方的顶部。

到2015年7月25日SpaceX召开火星移民运输机（MCT）设计会议时，该设计已经进一步发展。 在会议上，马斯克指出，该设计必须比龙飞船更为高效，希望为所有乘客提供游轮式的私人舱室或成组舱室，并将其比作游艇而不是小艇。 同时确定助推器和星舰会有类似的架构。

这次会议还首次提及了加油飞船，将进行三次飞行以完全充满MCT。 MCT将配备大型舱门，以将货物和人员运送到行星表面。 还提到了其他设计元素，例如潜在的900吨球形甲烷罐。 除发动机外，最根本的变化是燃料罐材料的转换。

每个燃料罐都是无衬套复合硬壳箱，由气凝胶以800帕斯卡（6托）的强度隔离。 气凝胶可能具有内部结构，以在其上分担载荷。 这些燃料罐会在1.7 bar（25 psi）的空载压力下通过其气态推进剂自发地加压，SpaceX工程师发现这在提高可靠性和增加质量之间取得了良好的平衡。

锂铝合金储罐在自动加压时在这些规模下效率低下，因为必须加强其抗屈曲能力。 碳纤维储罐比铝合金提供更高的几何刚度，从而在相同尺寸的情况下可以生产出重量更轻的火箭。

SpaceX 建造并测试过的碳纤维储罐

马斯克甚至提到他希望将热保护系统（TPS）和结构结合起来以节省重量。 这预示了SpaceX最终决定在整个设计中使用碳纤维的决定。 主要原因是它的低热膨胀系数使SpaceX可以将船的隔热板直接连接到结构上，从而可能节省更多的重量。

2015年8月，马斯克宣布，猛禽的氧气与甲烷之比为3.8：1。 NSF在2015年10月就Musk的计划获得了进一步的信息·。 MCT的高度为180米（590.6英尺）高，单核设计，直径为12米（39.4英尺），重4724吨，安装在3599吨助推器上的1125吨飞船。 它将配备27台Raptor发动机以62,223 kN（6350吨）的推力起飞，并能够将236吨载重重复推入LEO。 这等于一架空客A330-200F货机的满载。 令人惊讶的是，它的可重用版本将成为世界上最高效的运载火箭，其有效载荷等于运载火箭质量的4.99％。

MCT太空船和加油飞船的长度为60米，是垂直起降机构，能够对接和转移推进剂。 两者都将具有使用PICA 3.0烧蚀材料的TPS。 核心级与飞船/油轮级的推力比为5：1，而大多数火箭的推力比为8：1或更高。 NSF专家意识到，该比率意味着在飞船上将有五个Raptor真空引擎。 同时，飞船也可能有三个中央安装的Raptor着陆引擎。

MCT太空船本身将设有一个大型栖息区，并在顶部安装了一系列乘员舱。 为了运送货物，飞船将在Raptor发动机上方安装一个较低的货物舱，发动机通过一对穿过该货物舱的中央管供油。 这种布局将使诸如车辆或核反应堆之类的重货物的卸载变得容易。 宇宙飞船及其加油飞船将由五个可延伸的着陆腿支撑，这些着陆腿不会像猎鹰9的腿那样向下折叠。 令人惊讶的是，没有计划在飞船上安装发射中止系统（LAS）。

该计划的摘要中提到，由于火箭的推力限制，火箭可能缩短到105 米，因此180米高度可能是已过时的信息。

第六版：火星移民运输机 – 2016年2月

SpaceX在2015年后进一步开发了上层级设计。最重的版本评估为80.7吨，其特征在于顶部装有推进剂储罐，机组人员在下方，而主要货物区域恰好在发动机上方。 第二大重量的版本为79.8吨，其顶部将配备船员舱，底部则是主要货物区域，而中间则是推进剂储罐。 最终选择的型号为73.3吨，顶部为机组人员，中间为货物区域，底部为推进剂储罐。 它牺牲了着陆和卸货的便利性，以改善delta-v，这对于从火星返回地球至关重要。

到2016年2月，SpaceX已将MCT演变成更大的~5400吨，高81 m（265.7 ft），直径12 m（39.4 ft）的设计，其推力约为土星五号的2.4倍。 完全由碳纤维制成，顶部是41 m（134.5 ft）高的MCT，配备9架Raptor发动机（6真空和3着陆），燃料为1450吨推进剂。 在它的下方是一个40 m（131.2 ft）高的助推器，具有42架Raptor发动机，并以3.58的氧气/燃料比运载3,650吨推进剂。

单个猛禽发动机的推力降低了13％，至1,961 kN（200吨），整个助推器将产生82,362 kN（8400吨·）的推力，比以前增加了32.4％。 它将通过由热气体喷射器和格栅鳍片驱动的组合降落在发射台附近而不是海上。

SpaceX计划将助推器，加油飞船和载人飞船分别重复使用1000、100和12次，载人飞船的重复使用次数受到其重入地球大气层期间承受的巨大热量的严重限制。 MCT加油飞船与MCT载人船明显不同，其超大型1650吨容量的油箱只有27 m（88.6英尺）长。 作为之后的高超音速洲际旅行计划的可能先驱，SpaceX曾考虑用一个具有较小的喷嘴尺寸和540吨推进剂载荷的地球升空加油飞船做为单级入轨（SSTO）火箭的示范。

Raptor猛禽发动机的真空版本的长度为5.5 m（18英尺），直径为3.8 m（12.5英尺），而着陆版猛禽发动机则要小得多。 为发动机提供动力是致密超冷的液态氧和甲烷（在发射前将其冷却至-212 C和-178 C）。 在第二级上，所有九台发动机在一级分离后都会点火，以最大程度地减少重力损失，而当降落发动机不再有用时，它们会关闭。 一旦进入轨道，加油飞船和载人飞船将对接，并通过旋转和压力辅助装置转移推进剂。

载人船将在氧气罐的上缘周围放置水，盐水和固体废物。 在该存储上方，将放置无压力的货舱。 它将有两个由中央立柱支撑的3米高的甲板。 该区域将包含电力系统，热力系统，未部署的太阳能电池板，散热器，生命维持系统，空气处理，存储和航空电子设备。 按照最低空间自由返航标准（每人15.1立方米），它将有足够的空间来载运73人，进行为期两年的火星自由返航。

SpaceX将使用大型货舱门和用于将重货下移至火星的龙门起重机来弥补这种设计较差的卸载性能。 机组人员将能够从1100立方米的增压舱经过出口滚道到达火星。 可以通过连接到扩展坞的气闸进入加压仓。 它具有与货舱相同的中央支撑柱。 共有四层，其中三层是2.5 m（8.2 ft。）高的楼层，用于机组人员，伙食和机组人员住宿，顶层更大。

该层包含机组人员和发射/着陆座椅。 飞船的顶部装有控制推进器，以控制其精细运动。 不确定的一个元件是加油飞船和载人飞船的可延伸着陆腿，其中五个将在尺寸和耐用性上进行重大升级。

当SpaceX致力于全碳纤维设计时，其工程师注意到与波音787的碳纤维机身部分相关的巨大制造挑战。 注意到的其他问题还包括碳纤维相对于金属设计的抗损伤性降低，SpaceX希望通过更厚的层压板来应对。 它正在研究芯板与加强板的复合结构。 前者将允许在设计中进行吹扫和隔热，而后者将允许可以共粘合的刚性面板结构。

计划是，车辆复合型材的制造流程将从用于制造型材的原始工具开始。 接下来，将形成具有推进剂罐气缸端部形状的内面板。

推进剂储罐的复合制造将具有自动胶带铺设和/或自动纤维铺设的特点。 然后将增加一个带有支撑的过渡环。 接下来，将添加核心结构，然后添加外部面板

在从工具上取下结构之前，应先将其装袋并固化。 第二复合部分将堆叠在该复合部分的顶部。 搭接将用于将各部分组合在一起，从而完成两组推进剂储罐的精加工。

SpaceX早在2016年就估计，他们可以仅用三个复合材料段和一个中间级来构建当时的MCT助推器。 仅制造助推器，公司工程师估计碳纤维使用量为16-20吨/月。 相比之下，另一种四段式增压器加上中间级将需要一种特殊工具，碳排量碳纤维使用量为8-11吨。 但是，这将需要一个额外的拼接接头和一吨额外的质量。

载人飞船和加油飞船的TPS受到了严格的评估。 当SpaceX决定最初的73.3吨MCT版本时，其工程师估计它将需要约18吨的消融PICA隔热层。 这意味着大约有四分之一的飞船重量将纯粹用于其TPS。 这将削弱碳纤维的质量优势。

SpaceX工程师还担心能不能找到降低TPS成本的方法。 火星往返过程中多次进入大气层会产生压力，这需要翻新整个TPS。 在降低每次飞行之间的加油飞船TPS整修费用以提高可重复使用性方面，也存在类似的担忧。

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