SpaceX的星舰项目

本文带你深度探索SpaceX的星舰项目，了解其作为下一代太空运输系统的创新设计、技术优势以及对未来太空探索和商业应用的深远影响。

星舰纵览

SpaceX的星舰是太空运输领域的一项开创性创新。

星舰——Starship，是一种完全可重复使用的不锈钢火箭，由39台最终将增加至42台的猛禽发动机提供动力，使用甲烷和氧气作为推进剂。

这枚完全集成的火箭高121米，直径9米。星舰的有效载荷舱内部体积约为1000立方米，其内部有效载荷体积与国际空间站相当。其尺寸和推力能力旨在支持载人和不载人任务至近地轨道、月球和火星。

星舰代表了火箭工程领域的一个重大飞跃，SpaceX的目标是开发一种完全且快速可重复使用的轨道级火箭，可以批量生产。

虽然土星五号火箭因其在登月任务中的关键作用而闻名，但由于其成本高昂，导致美国国家航空航天局（NASA）后续的月球任务被迫中断。而星舰则有可能通过大幅降低发射成本，推动太空经济发生变革性的变化。

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星舰架构

星舰系统，由星舰上级和超级重型助推器组成，是一个旨在执行地月及更远太空任务的完全可重复使用的太空运输系统。它保持着有史以来最强大的发射载具记录，能在可重复使用配置下运输最多150吨，一次性使用格式下最多250吨的有效载荷。

超级重型助推器 71米高的超级重型助推器由33台猛禽发动机提供动力，设计为完全可重复使用。它为50米高的星舰飞船提供达到轨道所需的推力。分离后，将返回Mechazilla发射塔，进行空中捕获。 星舰上级部分 星舰上级部分拥有约1000立方米的有效载荷体积，设计为能够承受再入大气层的环境，实现完全可重复使用。6台猛禽发动机为飞船提供动力，最终将升级至9台。完成第二阶段任务后，星舰将执行腹部翻转机动，以水平下降方式重新进入大气层，并在着陆前重新垂直对齐，准备被Mechazilla捕获。 猛禽发动机 星舰由猛禽发动机提供动力，这是一种可重复使用的甲烷-氧气发动机，推力是猎鹰9号梅林发动机的两倍。超级重型助推器由33台猛禽发动机提供动力，星舰上级使用六台，其中3台优化用于海平面，3台用于真空环境。

猛禽2型发动机 2021年底，SpaceX开始生产更轻、更强大、更高效的猛禽2型发动机，生产成本减半。预计为所有星舰发射提供动力，直至猛禽3型发动机准备就绪。 猛禽3型发动机即将到来 SpaceX正在开发和测试猛禽3型发动机，预计能产生更大的推力，可能允许星舰在完全可重复使用的配置下将200公吨的有效载荷送入轨道。

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关键优势

完全且快速的可重用性 SpaceX设计的Starship旨在成为首个几乎无需翻新即可完全重复使用的火箭，这可能将发射行业的格局转变为更类似于商业航空旅行 有效载荷能力 Starship设计用于在可重用配置下运送高达150公吨的有效载荷，一次性使用的助推器下运送高达250公吨的有效载荷。 大规模制造 SpaceX为Starship设计了大规模制造性，最终目标是同时部署数百艘Starship，通过提高固定资产利用率进一步节省成本。 发射成本 高有效载荷能力和完全的可重用性可能会使发射入轨的成本显著降低，尽管短期内客户成本的显著降低尚不现实。

轨道发射成本降低：每公斤费用

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关键设计决策

猛禽发动机

数量与布局 星舰设计包括39台猛禽发动机，其中33台位于超级重型助推器，6台位于星舰上级，计划增加至42台。 技术优势 猛禽引擎作为全流量式分级燃烧引擎，提供高推力和效率，降低结焦风险，并提高燃烧效率，同时具备利用火星资源的潜力。

全流量式分级燃烧发动机的历史意义

尽管全流量式分级燃烧发动机提供了所有引擎类型中最高的火箭性能，但它们也是最难建造的。历史上，只建造了三台全流量式分级燃烧循环引擎：

- 苏联Energomash公司在1960年代的RD-270项目

- 美国政府资助的Aerojet Rocketdyne集成动力头演示项目在2000年代中期猛禽引擎在2019年

在这三者中，只有猛禽引擎曾经发射过，全流量引擎的巨大复杂性结束了其他两个项目。

不锈钢材质的选择

成本效益: 相较于碳复合材料，300系列不锈钢显著降低了成本。 热控制: 高熔点和热阻，适合应对大气再入时的极端温度。 耐用性: 抗腐蚀和磨损，保障星舰的结构完整性和可重用性。 制造简便性: 易于加工，加速了星舰的制造过程。 低温性能: 在低温环境下保持强度，适合使用低温推进剂。

04

星舰历史

马斯克创建火星人类殖民地的目标激发了星舰的构想。

为了在火星上建立殖民地，人类需要不断发送载有乘客、基础设施和必需品的车辆，为了以商业上可行的成本实现这一目标，必须开发一个完全可重复使用的巨型火箭。

初步设计与开发（2012-2016）

星舰式火箭的构想始于2012年，当时马斯克提出了火星殖民运输器（MCT）的概念。

星际运输系统（2016年）

MCT概念发展成为星际运输系统（ITS），该系统于2016年9月在国际宇航大会上宣布，包括一个巨大的助推火箭和上层宇宙飞船。这个设计包括一个高达122米、直径12米的助推器。设计用于搭载最多100名乘客和货物的宇宙飞船，将由数十台猛禽引擎推动。

ITS被设计为可重复使用的典范，其助推器每次发射后都会返回地球。然后宇宙飞船将前往目的地，使用当地生产的推进剂（没错，指的是火星）进行加油，并返回地球。这一资源循环利用的过程是降低太空旅行成本和实现火星殖民梦想的关键。

过渡到BFR和Starship（2017-至今）

2017年9月，马斯克在国际宇航大会上展示了稍微缩小且更加精细的ITS版本。这个新设计被称为大猎鹰火箭（BFR，Big Falcon Rocket），它是一种更为实用且性价比高的太空探索和殖民化方法。

2018年11月，马斯克宣布BFR将正式更名为Starship，而助推器将被称为Super Heavy。

星舰原型机与初期试飞（2019-2021）星跳者（2019年原型机）

星跳者是星舰飞船的首台原型机，用于测试猛禽发动机的性能并验证其基本设计理念。它在SpaceX位于德克萨斯州博卡奇卡的设施中建造，采用不锈钢结构和单台猛禽发动机。

星跳者号达到了150米的高度

2019年8月，它完成了低空跳跃飞行测试，升至高度150米。这次测试展现了猛禽发动机的性能，并为开发后续原型机提供了宝贵的测试数据。

SN5和SN6（2020年）

继星跳者号成功之后，SpaceX开发了SN5和SN6原型机，以测试飞行器的控制系统和着陆能力。这两个原型机都采用了更为精炼的设计，拥有不锈钢结构和单个猛禽发动机。在2020年8月和9月，SN5和SN6分别成功完成了150米的跳跃测试。这些测试证明了飞行器控制系统、着陆腿和推力矢量的有效性，这些对于航天器的安全着陆至关重要。

2021年5月，SN15成功完成了高空飞行测试，达到了10公里的高度并安全着陆，标志着星舰开发过程中的一个重要里程碑。

综合飞行测试

首次综合飞行测试 (2023年4月20日)

星舰首次轨道试飞，目标是绕地球飞行并在太平洋夏威夷附近溅落。发动机故障导致火箭失控，飞行终止系统在飞行约四分钟后摧毁了飞行器。

问题与挑战

- 发射过程中多次发动机熄火。

- 发射台下方形成“岩石漩涡”，影响周边地区。

- 飞行终止系统延迟摧毁火箭。

第二次综合飞行测试 (11月18日)

引入级间热分离技术，增强持续推力，希望提升有效载荷能力。测试中SpaceX失去与火箭的联系，自动飞行终止系统触发，测试结束。

星舰（第二级）V2

在完成了两次星舰的集成飞行测试之后，SpaceX透露，它已经在开发第二版的星舰上层。SpaceX计划在转向其第二代产品线之前，完成并发射四到五枚第二级的星舰版本1原型机。星舰二代将增加推进剂容量，减少空载质量，并提高整体可靠性。

第三次综合飞行测试 (3月14日)

经历近一小时的测试，包括热分离和轨道飞行任务。飞船部分在再入大气层时失去联系，未能完成着陆；超级重型助推器着陆失败。

第四次综合飞行测试 (6月6日)

首次实现海面软着陆，完成整个发射流程。收集星舰在高温下受控再入的数据，推进完全重复使用目标。

星舰的影响

设计约束条件的改变

如果1艘星舰每周3次发射，1年内它能向轨道运送的总质量将超过人类所有太空任务的总和。星舰将为行业带来极大的运载质量。历史上运载质量一直限制着任务和系统的设计——这是由于进入低地球轨道（LEO）的高昂发射成本，高达每公斤10,000美元。

这反过来影响了任务的各个方面：时间表、成本结构、体积、材料选择、劳动力、电力、热考虑、制导/导航/控制等等。质量问题如此根深蒂固，以至于它已经传播到几代卫星和太空飞行器的设计中，塑造设计以规避过重的负面影响。

星舰有可能使进入轨道的成本潜在地减少了一个数量级，有可能打破传统的质量和成本之间的相关性，传统上是通过优化质量来节省发射成本。相反，工程师现在可以专注于构建航天器的最经济方法，而不受质量优化需求的限制。简而言之，将从质量限制的时代过渡到质量丰富的时代。这种转变标志着资源可用性和利用的重大变化。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是一个典型的例子。最初估计1997年的成本为5亿美元，JWST最终的价格标签飙升至100亿美元。主要原因就是体积和质量限制，这迫使工程师不断缩小尺寸同时保持性能，从而增加了复杂性和成本。

太空旅游

星舰将把太空旅游的视野扩大到目前的范围之外。目前的太空旅游主要限于短暂的失重体验和地球景观，然后返回地球。如果一个游客想飞往LEO，乘坐猎鹰9号的费用约为每座位500万美元。

星舰有可能显著降低太空旅游的价格，使更广泛的群体能够相对负担得起，未来前往LEO的费用每座位可能降至20万美元以下。

虽然这些戏剧性的价格下降可能需要几十年才能实现，但如果实现，它将开辟一个全新的太空旅游行业，为客人提供住宿、餐饮和娱乐服务。

低地球轨道宽带

对于"新太空"企业而言，降低资本密集和发射成本是商业成功的关键，特别是对于那些需要部署大量卫星以构建低地球轨道宽带网络的巨型星座项目。

目前，卫星制造和发射的高成本，加上与地面电信相似的EBITDA利润率预期，使得实现电信行业的典型高个位数投资回报率面临挑战。星舰项目的推进，通过大幅降低发射成本，为这些项目提供了实现盈利的可能性，并有助于SpaceX加速星链卫星网络的构建和部署。

地球观测

星舰也可能增强其他太空公司的投资回报率，包括地球观测领域的公司。降低到轨道的成本可以改善单件经济效益。

创新应用与任务

政府科学项目 星舰提供的技术进步可能降低科学任务的复杂性、缩短项目时间线并减少成本，为政府科学项目带来更高的灵活性和效率，开启探索其他天体或部署更大型望远镜的新途径。 国防应用 美国五角大楼利用星舰的高容量优势，加快部署国家安全卫星星座，增强通信和导弹跟踪能力，为国防应用提供战略优势。 太空制造 星舰支持在太空的独特环境下进行制造，这一环境特征为零重力和自然真空，非常适合生产特定药品成分或高品质光纤电缆，为制造业带来革命性的变化。 阿尔忒弥斯计划 NASA已向SpaceX授予两项合同，总价值约40亿美元，用于为阿尔忒弥斯计划建造一艘改装的星舰人类着陆系统（HLS）。星舰HLS计划在2026年末的阿尔忒弥斯3号任务中将宇航员送上月球表面。然而，考虑到当前的发展速度，这个日期可能会延后。尽管如此，星舰是实现NASA在月球上建立永久基地梦想的关键工具。 复杂架构 星舰的设计需要解决填满1200吨燃料罐的复杂架构问题，包括发射多艘燃料补给型星舰和解决太空中低温燃料挥发的技术挑战，为实现将大量货物运送到月球表面的目标提供支持。

Starship会扼杀小型到中型的火箭发射吗？

我们认为不会。

尽管SpaceX将重点转向星舰项目，预计不会对小型卫星发射市场构成威胁。星舰在执行大规模太空任务方面虽具优势，但在灵活性上不足以满足小型卫星的特定需求。SpaceX初期将主要利用星舰进行星链卫星的部署。

预计其首次商业发射将在3至5年后，为新兴企业提供了进入市场的空间。同时，美国政府支持多元化发射服务以促进竞争，确保不会过度依赖单一供应商。

行业对比

星舰不仅在可重复使用性方面表现出色，在推力和载荷能力方面也是独一无二的。SLS仅次于星舰，是目前世界上第二强大的火箭；然而，其数十亿美元的发射成本和以Artemis计划为目标的任务降低了其竞争力。Blue Origin的New Glenn火箭目前仍在开发中，有望成为星舰的最接近的竞争对手，这取决于其性能、成本和重复使用能力。

星舰成本分析

星舰的低成本制造技术是火箭领域的一次重大突破。

火箭制造历来是一项极其昂贵的工程。传统的发射企业通常会选择与多家分包商合作，以获取高成本的专用部件，这些部件一旦失败将带来巨大损失，而不是选择自行生产。这种做法导致了效率低下的制造流程，常常伴随着延误和成本超支。

SpaceX的进入改变了局面

SpaceX采取了与此相反的策略。这家火箭行业的巨头将所有昂贵且关键的火箭制造业务纳入公司内部，专注于成本控制和生产速度。

专注于成本控制

随着SpaceX从Falcon 9过渡到Starship，它进一步优化了其制造方法，专注于超低成本材料和“去零件化”设计流程。

Falcon 9由昂贵的铝和碳纤维制成。对于Starship，SpaceX转而采用低成本的不锈钢作为其结构框架，节省了数百万美元的生产成本。不锈钢不仅成本低廉，还具有高耐热性。

研发投入

Starship的生命周期研发成本可能会接近100亿美元。截至2023年底，SpaceX在Starship的总研发支出（包括基础设施建设和火箭技术）已经超过了50亿美元，仅2023年一年的支出就达到了20亿美元。

由于高研发和初始成本，早期Starship原型的分摊成本高达数千万美元。然而，为了本次分析的目的，我们将采用一个近期的未来预测模型，因为它代表了研发/测试生产阶段之后的情况。

当前估计的星舰和助推器全栈成本（以千美元计）

这里成本估计是基于研发后 1 - 2 年的前瞻性模型，是一个有根据的最佳估计，并非基于 SpaceX 内部数据。从长远来看，预计成本还会进一步降低。

9000 万美元的成本

基于研发/测试后生产阶段的近期模型，制造一艘完全集成的星舰的成本为 9000 万美元。未来的成本并未计入 SpaceX 迄今为止在研发上花费的近 50 亿美元。

约 70%的成本归于超重型助推器，约 30%归于星舰上层推进器。

未来星舰（上层推进器）的成本降低

随着星际工厂上线以及猛禽发动机的生产得到改进，SpaceX 旨在进一步降低成本。

当 SpaceX 实现完全可重复使用时，星舰第二级飞行器的产量将比助推器的产量高出一个数量级。SpaceX计划最终每周建造多艘第二级星舰，并将猛禽发动机的生产成本降至每台 25 万美元。

如果成功，大规模生产第二级星舰的长期成本可能会降至每艘 1000 万至 1500 万美元。然而，就本报告而言，我们将分析当前的成本。

完全可重复使用的飞行成本

由于星舰被设计为完全可重复使用，与建造一艘全新的星际飞船相比，每次额外飞行的成本大幅下降。在完全可重复使用的基础上，星舰飞行的经济成本开始更接近航空公司。

1000 万美元 一旦投入运营，每次可重复使用的星际飞船发射的综合成本可能会降至不到 1000 万美元。（请注意，这是 SpaceX 的内部成本，而非向客户收取的价格）。 翻新、检查、摊销成本和杂项发射每日成本共计 900 万美元。 1000 万美元 一旦投入运营，每次可重复使用的星际飞船发射的综合成本可能会降至不到 1000 万美元。（请注意，这是 SpaceX 的内部成本，而非向客户收取的价格）。 翻新、检查、摊销成本和杂项发射每日成本共计 900 万美元。 一旦投入运营，每次可重复使用的星际飞船发射的综合成本可能会降至不到 1000 万美元。（请注意，这是 SpaceX 的内部成本，而非向客户收取的价格）。 翻新、检查、摊销成本和杂项发射每日成本共计 900 万美元。

发射次数在进一步抵消固定成本方面将发挥重要作用。发射次数越多，SpaceX 就能更多地分摊固定成本。因此，从长远来看，发射星际飞船的边际成本可能会远低于 1000 万美元。

星链与星舰的关系

SpaceX通过发射客户有效载荷盈利，并以这些利润支持其星链项目。

截至2023年12月，星链拥有230万活跃用户，占轨道卫星总数的半数以上。至今，SpaceX已成功发射超过5000颗星链卫星，计划将总数增至12000颗，甚至可能扩展至42000颗，每颗卫星造价约30万美元。

随着星链项目从第一代向第二代过渡，卫星的容量将增至四倍，重量也相应增加。猎鹰9号每次能携带约23颗星链V.2 Mini卫星，但对于更重的V.2型号（1200余kg/颗）则力不从心。星舰的加入将大幅提升发射能力，预计每次发射能携带100颗星链V.2卫星。

考虑到星链卫星五年的使用寿命，SpaceX需要定期补充卫星以维持星座的完整性。如果年损耗率为20%，为了保持12000颗卫星的星座，SpaceX每年至少需进行24次星链专用发射；若要维持42000颗卫星，则需超过84次发射。星舰的高运载能力使其成为这一任务的关键。

星舰/载人航天飞行的应用场景

SpaceX 的星际飞船是下一代航天器，旨在将宇航员送往太空、月球和火星。

月球

星际飞船将实现地球与月球之间的大规模旅行。在 NASA 的“阿尔忒弥斯”计划下重返月球的行动中，星际飞船技术至关重要。2021 年，NASA 选定 SpaceX 建造一艘星际飞船月球着陆器，用于在本十年内将“阿尔忒弥斯三号”的宇航员送上月球表面。

太空旅游

一旦投入运营，该航天器将开启太空旅游的新时代。SpaceX 已经向私人出售了星际飞船月球之旅的门票。

火星

星舰的最终目标是实现人类前往火星的太空旅行。该航天器能够运载大量货物的能力使其非常适合长期任务，例如载人前往火星或更远的地方的任务。

点对点运输

美国五角大楼也在关注这款新型飞行器在地球上进行“点对点”货物运输任务。从理论上讲，星际飞船能够运载 C-17 运输机的货物量，并在一小时内飞往世界任何地方。自太空计划开始以来，火箭“点对点”旅行的想法就已经存在，但星际飞船可能是第一款在经济上可行的此类飞行器。

星际飞船空间站

NASA 和 SpaceX 正在探索将星际飞船改造成近地轨道永久性空间站的计划，支持数十人长期停留。星际飞船的巨大尺寸——比国际空间站还大——将使其能够容纳所有必要的设施和设备。最重要的是，由于星际飞船空间站只需一次发射即可部署，开设该空间站的成本相对较低。

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本文转载自“空天感知”，原标题《Starship星舰研究报告：全面解析SpaceX下一代运载火箭》。

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