Starship System 2022技術(shù)報告總結(jié)【航天科普26】

2022年的目標(biāo)是大約50次軌道級發(fā)射,這代表著SpaceX每周至少需要發(fā)射一枚運載火箭。

Starship將改變目前的入軌規(guī)則,將大量的物體發(fā)射到軌道上。世界迄今為止的入軌質(zhì)量約為15517噸;當(dāng)每周發(fā)射三次Starship時,每年可以向軌道上發(fā)射約15500噸的物體;當(dāng)每天發(fā)射三次Starship時,每年可以向軌道上發(fā)射約109500噸的物體;當(dāng)每天發(fā)射三次,每次10發(fā)Starship時,每年可以向軌道上發(fā)射約1095000噸的物體。

這張表其實就是為了宣傳Starship的發(fā)射能力強,具體的“幾天發(fā)射幾次”以及入軌質(zhì)量基本沒有參考價值。
Musk:需要一百萬噸的載荷才能在火星建立一個自給自足的城市。Starship有能力做到這一點,這也是歷史上第一次出現(xiàn)這個可能。

Starship高50m,主直徑9m,推進劑質(zhì)量約為1200t,6臺猛禽發(fā)動機(3臺海平面Raptor 2.0發(fā)動機,下文均用Raptor 2.0 sl.代替;3臺真空Raptor 2.0發(fā)動機,下文均用Raptor 2.0 vac.代替)提供約1500t的最大推力。這意味著平均下來每臺發(fā)動機的推力為250t,再根據(jù)Raptor 2.0 sl.和Raptor 2.0 vac.的性能差距和已知消息可以不嚴(yán)謹(jǐn)推算,Raptor 2.0 sl.的推力約為230t,Raptor 2.0 vac.的推力約為270t。
Musk表示,發(fā)動機的推力將會隨著時間的推移而提升,而火箭的直徑是不會改變的(在航天中改變一款火箭的直徑是非?!耙钡氖?,這意味著要重新設(shè)計包括發(fā)射臺、服務(wù)塔臂、生產(chǎn)機器等一系列配套設(shè)施)。Starship的高度可能會在之后的設(shè)計中更高一點。對于近地軌道來講,Starship System應(yīng)該可以打150t的載荷并且回收。而發(fā)射Starlink的時候,由于軌道更高,所以運力可能會到100t左右。(理想狀態(tài)下)在近地軌道可以加注約200噸的推進劑,這對于去火星來講是十分重要的。平均下來,每一噸甲烷推進劑需要大約三噸半的氧助燃劑。

Starship使用的是世界上最大的航天器隔熱瓦集成,這些隔熱瓦是SpaceX在卡納維拉爾角附近的一家小工廠制造的。這些隔熱瓦需要抵御極端的高溫,但Musk再三強調(diào)它并沒有那么貴(航天飛機的隔熱瓦貴是因為需要大規(guī)模的定制不同形狀的隔熱瓦并且人工安裝,但是SpaceX Starship的隔熱瓦絕大多數(shù)是同樣規(guī)格的,所以相對更廉價。但是SpaceX以后最好還是解決一下如何機械化安裝隔熱瓦才可以進一步提高效率和降低長期人工成本)。

Musk:“這是Starship推進劑補加時的場景,但這個情形可能有點糟”
Starship放棄了從BFR時代就在延續(xù)的“交尾”式推進劑補加策略,轉(zhuǎn)而使用類似ITS的側(cè)貼式補加策略。而軌道補加樂觀來講需要到2023年底,正常的話兩年以內(nèi)。

Super Heavy原設(shè)計高70m,但因為設(shè)計團隊去掉了半個鋼環(huán)所以變?yōu)榱?9m。直徑9m不用多說,推進劑容量約3400t,后期可能會增加至3600t甚至是3800t。最大推力7590t(其實就是Raptor 2.0 sl.的230*33)是土星五號的兩倍多,這也將使Starship System成為屆時世界上最大的運載火箭。

Booster 4明確無法用作軌道級飛行,其上面的29臺Raptor 1.0 sl.未來的去向也不得而知(可能就直接當(dāng)展品了),首次軌道級飛行可能將使用Ship 21+Booster 7的組合。

Booster 7將使用33臺Raptor 2.0 sl.而不再是29臺,其外圍的發(fā)動機排布并沒有變化,內(nèi)部則由9臺增至13臺,33臺發(fā)動機是目前Super Heavy的最優(yōu)解。

Super Heavy的熱氣RCS將會取消,取而代之的是安裝在甲烷儲罐和液氧儲罐中間處的推進劑排放口,從而簡化布線設(shè)計。Falcon 9一級使用的是冷氣RCS,也就是使用氮氣,直接將氮氣噴出提供反作用力從而控制一級在太空中的朝向。而Super Heavy使用的是噴氣RCS,讓甲烷氣體和氧氣分別通過各自的管道排出。


在Super Heavy回收時,會點燃最中心的三臺猛禽發(fā)動機,由于出色的節(jié)流能力和“相對”較小的引擎,Super Heavy是擁有懸停能力的,這對于Super Heavy的回收是一個好消息。
由于Super Heavy使用的是不銹鋼,耐高溫,所以并不需要像獵鷹九號一樣進行載入點火,回收僅需要返場點火和著陸點火。

Super Heavy將使用回收臂進行回收,而不是兩年前所說的著陸回收。

Starship System的發(fā)射綜合體從設(shè)計到投入使用總共使用了13個月的時間。而選擇Starbase的原因是除了卡納維拉爾角和這里以外沒有其他更好的選擇了。

雖然Raptor 2.0 sl.相對于Raptor 1.0 sl.更簡潔(但基本沒有減少體積),但是其推力卻比Raptor 1.0 sl.大了45t,達到了230t,后續(xù)可能會增加至250t(測試時已經(jīng)可以達到247t的峰值推力)。Raptor 2.0 sl.相對于Raptor?1.0?sl.幾乎是重新設(shè)計,包括材料、管線、渦輪等重要部件。

Musk表示很榮幸NASA選擇SpaceX為重返月球制造載人登月器,SpaceX會把它完成的。前澤友作的Dear Moon任務(wù)公告即將發(fā)布。

SpaceX對FAA的決策還沒有什么了解,順利的話大概是三月份可以拿到軌道級發(fā)射的批準(zhǔn),其他的就不知道了。
SpaceX目前的生產(chǎn)目標(biāo)是逐漸接近一天一臺猛禽(目前已經(jīng)到了一周5臺左右),發(fā)射成本目標(biāo)是低于1000w(這個目標(biāo)需要等待長期的檢驗)。如果SpaceX無法拿到來自FAA的批準(zhǔn),那么SpaceX將會啟動Plan B——在肯尼迪航天中心LC-39A花費6-8個月建造軌道級發(fā)射塔并實施發(fā)射任務(wù),因為SpaceX早已拿到在LC-39A發(fā)射Starship System的許可。
如果FAA需要進一步的環(huán)境影響報告(將要比目前的環(huán)境影響評估更費時間),那么SpaceX就不得不考慮從LC-39A發(fā)射Starship System了,但Staebase仍然是測試中心。
Starship沒有逃逸裝置,如果一級出現(xiàn)問題,二級的Starship將會啟動發(fā)動機飛離。未來猛禽發(fā)動機進一步增推,Starship就可以在發(fā)射臺上直接逃逸(推重比大于1),Starship的生命維持系統(tǒng)將參考和擴大載人龍的設(shè)計,可以維持1-2周,而去火星等其他遠距離任務(wù)就需要額外的東西了。
幾個月后Starship的軌道級首飛應(yīng)該就會執(zhí)行,但可以保證的是今年肯定會有至少一個Starship入軌。
如發(fā)布會所說,就像之前Raptor冒出的綠光,Raptor?2確實是發(fā)生了多次融毀現(xiàn)象,目前SpaceX正在通過更多的測試和修正來決絕這個“最后的攔路虎”。

總結(jié):說了嗎?說了。說了嗎?似乎也沒說……

Musk:“我們?yōu)槭裁匆鲞@一切,建造一個像Starship System的巨型火箭?——因為恐龍已經(jīng)滅絕了。必須有一些事情可以激勵你,讓你在早上醒來時感到興奮。讓我們出去看看宇宙到底是什么,這才是生命的意義?!?/strong>