SpaceX星艦

SpaceX星艦研製開發的一型可完全複用的重型運載火箭，於2017年9月由伊隆·馬斯克首次公佈。星艦預計將代替獵鷹9號、獵鷹重型運載火箭以及天龍號太空船等載具執行地球軌道上的任務。除了地球軌道，星艦在軌道上加註燃料後，也可以完成地月轉移以及直擊火星的任務。SpaceX在2012年左右開始開發火星殖民系統。SpaceX同時表示其最初期望是在2022年發射貨運飛船去火星，然後在2024年執行載人計劃。整個計劃包含了可重複使用的運載火箭以及用於支援火箭快速發射、複用的地面基礎設施，SpaceX還會研發可以在近地軌道進行在軌加註燃料的技術。作為超重型運載火箭，星艦的近地軌道運力可高達。這一概念名稱的演變順序為：重型運載火箭概念2018年如今，SpaceX正在採用不鏽鋼來建造用於測試的一系列星艦原型，因為不鏽鋼的廉價與加工的便捷性，原型的建造變得十分迅速。SpaceX希望為原型搭建專門的生產流水線，這使得SpaceX可以在更高的頻率下進行火箭測試並快速地從中發現問題，之後SpaceX就可以針對該問題迅速地做出改進。名稱演變.早在2005年，SpaceX就將“BFR”作為計劃中超重型火箭的名稱，並稱“BFR”的效能會“遠遠地超過Falcon系列火箭”。其目標為100噸，並將運載火箭本身稱為ITS運載火箭。2017年9月，SpaceX公佈了9米直徑的新設計，該火箭改名為“BFR”。伊隆·馬斯克在釋出會上說“我們正在尋找正式的名稱，但代稱目前是BFR。”SpaceX總裁格溫·肖特威爾隨後表示BFR的全稱是“Big Falcon Rocket”。然而，伊隆·馬斯克過去曾解釋說，關於BFR的命名，他是從遊戲《毀滅戰士》中的BFG武器中汲取的靈感。因為BFG武器在《毀滅戰士3》中的名稱是Big Fucking Gun，所以BFR偶爾也被媒體稱為“Big Fucking Rocket”。火箭的第二級是一艘可獨立飛行的宇宙飛船，2017 - 2018年間，第二級被稱為“BFS””，而整個火箭的名字也為星艦。發展歷史.開端.早在2007年，伊隆·馬斯克就表示他個人的目標就是最終能讓人類得以探索並殖民火星。關於登陸火星的計畫架構在2011到2015年間被陸陸續續揭露開來，其中一份2014年的宣告表示最初的殖民者到達火星的時間不會早於2025年，時至2016年年中，此項計劃仍然把這一日期定為不早於2025年。2011年，馬斯克在一次採訪中表示他希望在10~20年內把人類送上火星。 2012下半年，他表示他設想了一個人口達數萬人的火星殖民地，而其中的殖民者到達火星的時間不早於2025年。2012年3月份，新聞報道聲稱猛禽火箭發動機上面級已經開始研發，但當時SpaceX沒有公佈任何細節。2012年10月，馬斯克構思了一個高層面上的有關建造第二套運載能力遠超獵鷹九號與獵鷹重型的可重複使用火箭系統的計劃，而SpaceX已經在原先的系統上花費了數十億美元。這款新運載火箭將會是對獵鷹九號火箭作出的一次“演進”，而且將會大許多。但馬斯克表示在2013年前SpaceX不會公開發表這項計劃。2013年6月，馬斯克表示他打算在“火星殖民運輸器”定期飛行之前推遲對SpaceX的首次公開募股。2014年8月，有媒體訊息人士推測，SpaceX超重型運載火箭的最早試飛最早可能會在2020年進行，以便在太空軌道飛行條件下對發動機進行全面測試。2015年初，馬斯克表示他希望在2015年底釋出有關火星殖民運輸系統“全新架構”的細節。馬斯克的這些計劃最終因為一次SpaceX的發射意外被推遲，而SpaceX公司直到2015年十二月下旬才恢復發射。2016年9月，馬斯克公佈了一項SpaceX的設計概念，該概念為一款直徑12米，在軌推進劑 - 油輪補充裝置，運輸所需的大概時間和火星側與地球側基礎設施的一部分。為了完成火星運輸任務，SpaceX需要建造一組共三架飛行器。構成2016 ITS運載火箭概念的三種不同的火箭是：ITS助推器，運載火箭的第一級ITS宇宙飛船，一個用於長期居住/載貨的太空飛船，作為火箭的第二級ITS油輪，另一個第二級，設計用於攜帶更多推進劑，為太空中的其他ITS火箭加油該演講也提出了更大的願景，希望其他感興趣的各方能夠利用SpaceX所希望建立的，新的，成本低得多的運輸基礎設施，以便在火星上實現可持續的人類文明。2017年7月，馬斯克表示ITS的設計已經“改進了很多”。改進後的設計使該系統對大量的地球軌道和順式發射更為有利，這樣系統可以透過近地空間區域的航天經濟活動來收回成本。揭幕.2017年9月，在國際宇航大會第68屆大會上，SpaceX公佈了最新的火箭設計。馬斯克在大會上說：“我們正在尋找正式的名稱，但目前代稱是BFR。”，採用甲烷分級燃燒火箭發動機技術，最初會用於地球軌道和地月飛行環境，將來也可用於飛往火星的任務。SpaceX於2017年修訂的設計是一種直徑為9米放置在飛船的鼻錐裡。該火箭的第二級有三種版本：BFS貨運，BFS油輪和BFS載人。貨物版本將用於發射衛星到低地球軌道 - 提供“比以前更為量大的撒土豆行為” - 還能運輸貨物到達月球和火星。在高橢圓形地球軌道上重新加油後，宇宙飛船的設計將使其能夠一次性登陸月球並返回地球而無需再次加油。此外，BFR系統在理論上被證明能夠以快速地對地的方式運載乘客或貨物，並在90分鐘內將其有效載荷運送到地球上的任何地方。截至2017年9月，猛禽火箭發動機已經過42次主發動機測試，共計有1200秒的測試點火時間。測試發動機在 20MPa。2017年11月，SpaceX總裁兼營運長Gwynne Shotwell表示，大約一半的BFR開發工作都集中在猛禽火箭發動機上。2017年SpaceX的目標是在2022年將前兩個貨運載荷送到火星，這兩個貨運載荷的目標是“確認水資源並識別危險”，同時為未來的航班安裝“電力，採礦和生命支援基礎設施”。其次是2024年的四艘船，包括兩艘載有人員的BFR太空船與兩艘裝有貨物的船，兩艘貨運飛船將帶去額外的裝置和用品，其目的是在火星建立推進劑生產廠。到2018年初，SpaceX已在洛杉磯港開始建造一座新的永久性生產設施，用於製造其直徑9米的碳纖維複合材料箭體。2018年3月，第一艘船的製造工作正在港口的一個臨時設施中進行，而第一次亞軌道試飛計劃將不早於2019年。該公司繼續公開表明其最初的理想目標是在2022年就能執行BFR去往火星的載貨任務，隨後是2024年飛往火星的首次載人任務，這符合2017年末提到的時間表。早在2015年，SpaceX就一直在尋找製造設施的地點，以供建造大型火箭，並在加利福尼亞州，德克薩斯州，路易斯安那州，和佛羅里達州進行實地調查。截至2017年9月，SpaceX已經開始製造運載火箭的部件。“我們已經訂購了用來製作儲料罐的工具，該設施正在建設中，我們將在2018年第二季度開始建造第一個原型。”在2018年3月，SpaceX宣佈將在2018 - 2019年在洛杉磯港海濱大道建造的新工廠生產下一代9米直徑高。完全組裝的運載火箭預計將透過駁船運輸，透過巴拿馬運河，運往佛羅里達州的卡納維拉爾角進行發射。2018年8月，美國軍方首次公開討論了使用BFR的興趣。美國空軍空中機動司令部負責人，對BFR在30分鐘內點對點地將150噸載荷投放到世界上任何一個地方的能力十分感興趣。他們預計這類大型運輸能力“可能在未來五到十年內擁有”。在2018年9月宣佈的2023年月球環遊任務計劃中 - 一架名為#dearMoon私人環遊任務的星艦展示了第二級和星艦的新設計概念，其中有三個後鰭和兩個前鴨鰭，用於大氣進入，取代了在一年前顯示的三角翼和分裂襟翼設計。修訂後的BFR設計在第二級使用了七個相同尺寸的猛禽發動機；與第一級使用的發動機型號相同。第二級設計在船頭附近有兩個小的驅動式鴨鰭，在底部有三個大鰭，其中兩個將啟動，所有三個都用作著陸腿。此外，SpaceX還在本月下半月表示他們“不再計劃為Falcon 9升級可重複使用的第二級”。BFR運載火箭的兩個主要部分在11月份被賦予描述性名稱：第二級/上面級的Starship和第一級/助推級的“Super Heavy”，馬斯克指出“建造Super Heavy是為了遠離地球的深重力井”“新的設計思路.2018年12月，在開始建造第一個碳複合材料測試部件九個月後，馬斯克宣佈將採取“違反直覺的新設計思路”：SpaceX主要用於製造火箭結構和推進劑罐的材料將是“相當重的……但非常堅固”的金屬。這隨後被證明是不鏽鋼。繼馬斯克個人去到博卡奇卡的SpaceX南得克薩斯州發射場後，馬斯克便透露，第一個星艦試驗品“星斗”已經建造了幾個星期。正如先前所想，星斗將由300系列不鏽鋼而非碳複合材料製成。根據馬斯克的說法，使用不鏽鋼的原因是“不鏽鋼明顯便宜，而且建造起來很快。它並不是最輕的，但它"實際上"是最輕的。如果你看一下高品質的屬性不鏽鋼，不明顯的是，在低溫下，不鏽鋼的強度提高了50％。”300系列不鏽鋼的高熔點仍然意味著星艦的背風側在重返大氣層時不需要絕緣陶瓦，而更熱的迎風面將可以使用更少的絕緣陶瓦以隔絕熱量。星斗將用於火箭原型測試與開發著陸/低空/低速控制演算法。測試火箭只會安裝三臺猛禽火箭發動機，飛行高度不超過5公里，預計最初飛行時間不會早於2019年上半年。到2019年3月，SpaceX已經取消了他們從Ascent Aerospace購買的數百萬美元的碳複合材料生產工具，放棄了所有在洛杉磯港的生產計劃，並關閉了複合材料製造廠。Super Heavy原型建造原本計劃在2019年第二季度之前開始。第一批建造的Super Heavy助推器的發動機會少於全尺寸型的28臺猛禽火箭發動機，這僅僅是因為早期試飛不需要那麼多發動機，而且此舉會減少在早期試飛中發生助推器故障時SpaceX的損失。火箭結構.SpaceX下一代運載火箭設計結合了幾種元素，根據馬斯克的說法，這些元素將使長時間超越地球軌道的太空飛行成為可能。SpaceX預測該設計可以降低發射成本。它還將服務於傳統近地軌道市場的所有可用任務。這使SpaceX將其大部分開發資源集中在下一代運載火箭上。完全可重複使用的超重型運載火箭將由兩個主要部分組成：一個可重複使用的助推器級，名為"Super Heavy"，以及一個可重複使用的第二級，帶有一個整合的有效載荷部分，名為"Starship"。將運載火箭的第二級與長時間宇宙飛船相結合將是一種獨特的太空任務結構。這種架構取決於軌道加油的成功與否。運載火箭的主要特徵包括：第一級：Super Heavy.超級重型."Super Heavy"起飛推力。，推重比接近1.5。根據FAA有關星艦環境調查報告，超級重型最多可安裝猛禽發動機數量為37個。截至2022年2月，馬斯克表示超級重型在不改變直徑前提最多可以安裝33具二代猛禽發動機，而超級重型預計能夠在30分鐘內完成補充燃料。它將擁有4個無法收縮的柵格翼但沒有任何降落腿。在後續建造的助推器，將進一步減少至3/2格柵翼。未來星艦(BS925及以後)將會轉變為熱分級模式，超級重型推進器將會新增排氣口，在超級重型助推器發動機以剩餘的3具中央發動機以50%推力運作時，啟動上級星艦的發動機並進行分級，以便獲得額外10%的有效載荷效能。回收.原型助推器目前不能進行回收，只能使用水上軟著陸避免爆炸，但在後續原型將會改為由發射塔以筷子/機械臂(Chopsticks/Mechazilla)進行空中捕捉第二級/宇宙飛船：Starship.星艦是一種可重複使用的航天器，也可作為運載火箭第二級，具有整合的有效載荷部分。星艦至少會有以下變種：星艦的主要特徵包括：降落及回收.目前星艦原型艦使用一次性降落腳進行測試，以減低測試失敗所造成的損失，及原型艦暫時不適合重用。星艦將使用6個可伸縮降落腿進行回收，但根據馬斯克最新計劃，現在將會改為由地面捕捉塔以支架捕捉爪進行堆疊及空中捕捉。生產.按照2022年2月10日SpaceX星艦簡報會，計劃每三天生產一艘星艦。未來發展.在後續星艦，將會調整前襟翼更接近星艦的背面。更有可能會移除前襟翼以進一步減少重量，提升質量比。同時，星艦將會較現時設計增高約十米及採用六具真空猛禽發動機。另外，現時星艦於分級時，超級重型推進器會大幅度擺離上級星艦，以便讓星艦進行分級。然而於2023年6月24日，馬斯克表示星艦將會轉變為熱分級模式，超級重型推進器將會新增排氣口，在發動機尚未關閉前，啟動上級星艦的發動機並進行分級，以便獲得額外10%的有效載荷效能，並預計將於6星期內完成升級。星蟲系統測試.從2017年10月開始，BFR概念揭幕後的一個月，就有愛好者猜測火箭的飛行試驗將從星艦的亞軌道跳躍開始，而初步的飛行測試最早會在2019年開始。到了2018年9月，第二級星艦的跳躍將在德克薩斯州布朗斯維爾附近的SpaceX南德克薩斯發射場進行。SpaceX於2018年11月向美國聯邦通訊委員會申請了一項實驗無線電通訊許可證，向美國聯邦航空局申請了一項試驗性許可證，以支援試飛計劃，從許可上看，所有試飛都將保持在海拔5公里以下。測試載具星艦和測試地點德克薩斯發射場都將在2018年底開始建造。用於第一次試飛的星蟲的主要結構，即是用於低空測試的星艦的縮減版本，它於2019年1月10日建造完成。1月的晚些時候，星蟲遭遇了大風，大風損壞了鼻錐結構，而水塔結構和火箭支腿則保持了完整。隨後SpaceX表示他們不會再做一個鼻錐，因為低速飛行測試不會用到鼻錐。星艦原型地面及飛行測試.星艦不會是一次定型的火箭，SpaceX計劃用一系列的原型測試來逐步改進星艦，最終到達設計目標，這一源於網際網路開發思維的做法，被稱為“快速迭代”。因此，用於測試的“測試機”將會多達幾十多個，它們中的大多數將在各種各樣的測試中損毀，這在火箭開發上是史無前例的。目前星艦上級的地面測試及已終止的亞軌道飛行測試均透過使用位於軌道發射場旁的地面測試場推力模擬測試臺A(原為亞軌道測試臺A)及靜態點火測試臺B(原為亞軌道測試臺B)進行。下表是星艦原型機的測試記錄，更詳細及已退役/摧毀星艦測試記錄請見SpaceX星艦研發歷史在下表中：“Mk”是 Mark的縮寫“SN”是 Serial Number的縮寫，現已停止使用“S”是 Starship的縮寫“TT”是 Test Tank的縮寫，於星艦早期開發使用“HTT”是 Header Test Tank的縮寫“RC”是 Raptor Centre engine的縮寫“RV”是 Raptor Vacuum engine的縮寫“RB”是 Raptor Boost engine的縮寫"RC/RV/RBXX" 代表未能確定發動機編號氣密測試是透過加註氮氣並加壓以測試箭體氣密性。低溫加壓測試是透過加註液態液態氮或液態氧來測試箭體耐壓性。燃料加註測試是透過加註液態甲烷及液態氧來測試箭體在使用燃料下的耐壓性。濕式演練是透過加註液態甲烷及液態氧氣並模擬完整發射流程至發射前一秒。渦輪啟動測試是透過注入少量燃料來推動發動機渦輪，不會進行燃燒及產生推力。點燃器測試是測試發動機內的點燃器，不需要使用燃料進行。預燃器測試指點燃發動機內的預燃器，但不在燃燒室燃燒，不會產生推力。靜態點火測試是啟動發動機並產生推力，一般維持數秒至20秒不等。已退役/摧毀/ 現役星艦及測試儲罐.有關已退役或摧毀的測試儲罐TT1、TT2、LOX HTT、最大動壓測試鼻錐、SN7、SN7.1、SN7.2、GSE4及星艦MK1、MK2、MK4、SN1-6、SN8-11、SN12-14、SN15、SN16、SN17-19、S20-S23、S24、S27的建造及測試記錄，及現役的S25、S26、S28、S29請參閲SpaceX星艦研發歷史有關S24軌道試飛任務請paceX星艦軌道試飛任務。有關星艦飛行記錄請參閲星艦任務列表。超級重型助推器地面及飛行測試.更詳細及已退役或摧毀或報廢超級重型助推器測試記錄請見SpaceX星艦研發歷史建造/測試進度表."BN"是 Booster Number的縮寫；現僅用於地面測試儲罐。"B"是 Booster (助推器-)的縮寫；現用於軌道飛行機及地面測試儲罐星艦-超級重型綜合飛行測試.為了配合星艦及超重型推進器的降落，SpaceX曾嘗試改建兩個鑽油臺為可移動發射及降落海上平臺，並分別命名為火星兩個衛星的名稱福波斯，但為了集中於研究星艦的飛行效能及鑽油臺改裝未如理想，目前兩個鑽油臺已被SpaceX售出。BS420.S20和B4原定為一組進行入軌並再入測試的星艦。為確保在重返地球時即使S20解體，碎片也不會墜落在陸地上，所以S20會在太平洋上進入大氣層。S20及B4也會使用海上軟著陸，以測試降落能力及保障公眾安全。2022年3月22日，馬斯克確定BS420將不會進行第一次軌道飛行測試，改由可安裝二代猛禽發動機的星艦執行。BS724.S24和B7原為第一組計劃進入跨大氣層軌道並進行再入測試的星艦。S24計劃進入跨大氣層軌道，再重新進入大氣層，進行水上硬著陸。B7則會於墨西哥灣進行海上軟著陸，但最終於爬升至39公里後啟動飛行中止系統，並於發射後240秒於空中解體。此次測試用於驗證星艦及超級重型推進器的設計，以及測試星艦重返大氣層時承受極高溫電漿的能力，並在測試中取得大量有用資料，用於修改及改良後續原型艦。詳情請paceX星艦軌道試飛任務。BS925.SpaceX於第一次軌道飛行測試的回顧中指出S25和B9計劃為第二組計劃進行飛行測試的星艦。是次主要目標為於預定高度進行分級並達成次要目標進入軌道。馬斯克表示，猛禽發動機的效能及安全性進一步提升，預計是次發射的成功率約為60%。目前S25已堆疊至B9上，正等待美國聯邦航空總署的發射許可。BS1026.B10及S26先後完成低溫加壓測試，其中S26已經安裝發動機，但進一步地面測試有待完成。猛禽火箭發動機.全箭的測試始於子系統級，與大多數運載火箭一樣，採用火箭發動機部件測試，然後在地面測試設施中測試完整的火箭發動機。猛禽發動機的部件級測試於2014年5月開始，2016年9月首次進行全發動機測試。截至2023年，猛禽發動機進行了多次發動機點火測試，最長的測試為330秒(2023年4月6日)。目前猛禽發動機有3種型別，分別是猛禽發動機V2於2022年開始量產，取代V1，其推力將由V1的185公噸提升至V2的230公噸以上。目前猛禽發動機V1已退役。猛禽發動機V2.5於2022年開始量產，取代V2，以電力驅動向量取代液壓驅動系統。目前猛禽發動機V2已退役。猛禽發動機V3於2023年中開始量產，將取代V2.5，其推力將由V2.5的230-250公噸提升至V3的270公噸以上。可執行的任務.星艦預計將代替大部分的獵鷹9號、獵鷹重型運載火箭以及龍飛船任務。星艦計劃適用於以下任務：批評.星艦飛行器的設計被批評不能充分保護太空人免受火星飛行任務中的電離輻射的傷害；馬斯克表示，他認為前往火星的時間很短，不會導致罹患癌症的風險增加，他說：“這沒什麼大不了的。” 據估計，由多次執行火星任務導致的終身罹癌風險約為增加5％，而這可以透過簡單的遮蔽措施將其大大降低。