如何看待马斯克发布史上最强星际飞船 Starship，人类太空旅行快要成真了吗？

还是老规矩，公众号文章回答问题，8000多字，聊点儿皮毛。标题：一次性火箭的革命者还是航天飞机的继承者？详解SpaceX星舰第一次“有图有真相”的发布会

主页君说

殖民火星一直都是SpaceX这家公司及其创始人伊隆·马斯克的最高理想。虽然在成立后的17年间，公司从猎鹰1号三射三败沦为业界笑柄，再到猎鹰9号翻身成功，又有火箭回收成功一鸣惊人，直到重型猎鹰震惊世界，公司一步一步从无足轻重走向举足轻重。但不得不说，这些火箭都距离他们的“终极目标”太过遥远，但是从今天这次在美国德克萨斯州荒凉海滩边的发布会开始，人类朝这个目标似乎又前进了那么“一小步”！

2019年版本的发射演示视频，可以观后配合下文食用

2016年的国际宇航大会上，作为压轴演讲，SpaceX首次公布了他们载人登陆火星将使用的火箭系统——大猎鹰火箭（Big Falcon Rocket，下文简称BFR，但那时还叫ITS）。

从设计上BFR确实能够实现火星梦，但是BFR的设计理念之疯狂、技术指标之高、发射规模之大都刷新了人类航天的技术极限，甚至超越了“霸榜”已有半个世纪之久的登月火箭——土星五号。考虑到重型火箭在人类历史上一直都是“大国玩具”，是意识形态和战争行为在太空的延申，耗资巨大，吞金无数，所以业界也根本没人将这件事真的放在心上。再加上后续2017、2018年两次BFR发布会上设计方案一变再变，火箭规模一缩再缩，真正的重型火箭——太空发射系统（Space Launch System）的承包商波音公司CEO甚至公开嘲讽说波音一定能先将航天员送上火星。到了2019年初，SpaceX再次推翻了BFR的设计方案，将贮箱材料从高强度低重量的碳纤维复合材料变成生活中普通的不能再普通的301不锈钢（国内牌号12Cr17Ni7），这种典型的“PPT火箭”做法几乎磨光了业界的耐心，上至NASA下至同行，几乎所有正经的航天企业和机构都根本没拿这件事情当真。

一. 终于不是PPT发布会了！

但是，今天，这一切似乎有了些变化，见下图！

是的，你没看错，一个直径9米，高度50米的巨大BFR二级伫立在SpaceX位于博卡奇卡的发射场上，公司创始人马斯克就站在这个被称之为“星舰”（Starship）Mk 1的试验机前面，为我们展示了有关BFR的最新进展和未来方向。其实这场发布会并没有什么宏图愿景，马斯克之前也曾说这次并不会详细的去讲解如何建立火星文明。言外之意，眼下这些技术挑战已经够他和SpaceX的技术团队喝一壶的了，而这款火箭也终于走下PPT，向那些惊人的工程挑战发起了冲击，说到底，星舰现在遇到的问题人类以往全都遇到过，摆到台面的技术手段也没有什么所谓“黑科技”，如何组合起来获得想要的效果，就要看SpaceX的手段了。

BFR作为一款运载火箭，其诞生至今几乎都是“反直觉”的。由于种种原因，传统运载火箭在正式入轨发射前都是没有过试飞的，设计人员在漫长的研发进程中一直都在想方设法用尽可能多的地面试验来模拟实际飞行工况，试图让上天的问题全部暴露在地面并得到解决。但地面终究是地面，谁也无法保证所有问题都能在地面复现。但随着垂直回收技术的实用化和成熟化，BFR的设计过程迥异于传统重型火箭，进一步引入了软件开发的快速的迭代思想，快速的验证—改进—再验证—再改进循环进行，利用不断提升高度的实机悬停和亚轨道试飞不断暴露各种问题，验证各种技术，逐渐逼近最终的实用化运载火箭。如此一来，问题的暴露显著提前，不再需要“毕其功于一役”的将风险集中于首飞。按照这个思路，星舰来到今天的发布会之前，其实也是有过“小白鼠”趟路的。

二. 不断试验，不断验证，不断修改，不断逼近

当地时间8月27日，在SpaceX位于德克萨斯州的试验场上，一个形似高压锅的不锈钢大罐子腾空而起，在持续约一分钟的飞行过后，稳稳的落在距离起飞点几十米之外的着陆场上。

这个其貌不扬的带腿罐子名叫“星跳者”(Starhopper)，是SpaceX可完全重复使用的重型运载火箭BFR（Big Falcon Rocket）的悬停试验平台，主要用于验证BFR二级“星舰”(Starship)的相关技术。它安装有一台全流量分级燃烧循环的猛禽发动机，采用9米直径不锈钢共底贮箱，配有三个着陆支腿，还装有从猎鹰9上拆下来的两套姿控发动机，可以说是一个“短粗胖”版本的可回收单级火箭。星跳者自2018年末首次曝光后，经过4个月露天制造后基本成型，又经过了反复的推进剂加注泄放试验和静态点火试验，终于在今年7月26日进行了首次20米悬停试验，由于最初星跳者被误认为SpaceX在当地修建的水塔，所以当时SpaceX创始人马斯克曾自嘲到“看，水塔也能起飞”。

当然，星跳者不是为了验证“水塔能飞”这件事，而是验证BFR的各项关键技术，降低BFR研发的风险和技术难度。说起星跳者要验证的技术，首先是9米直径的不锈钢共底贮箱，BFR从2016年首次公开直至2018年底，一直都宣称采用碳纤维复合材料贮箱。但公司在2018年末突然宣布改用近些年并不常见的不锈钢贮箱，并立即报废了重金购买的复合材料工装。

不同于半人马上面级的不锈钢气球贮箱，BFR贮箱在不加注时仍保持结构完整，主要由市售301不锈钢制成，内部焊接肋板，同时为了满足防晃、防漩、防塌及对增压气流消能等贮箱要求，内部也做了大量布置，但发布会上并没有曝光，卧草党也没拍到内部结构。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。然后是猛禽发动机的火炬式点火器和变推力能力（火炬式点火器国内也有研发，有兴趣可以搜搜），而无导流槽环境下的无依托起飞也比台架试车更能考验猛禽设计的可靠性。

可以说，SpaceX竭尽所能的利用星跳者这个看似粗糙简陋的平台，为BFR打下尽可能坚实的基础，其作用类似于猎鹰9火箭的悬停验证机“蚱蜢”（Grasshopper），蚱蜢曾在两年内8次试飞，试飞高度从1.8米到744米，期间验证了梅林发动机的摆动、变推力和栅格舵姿态控制等关键技术，为后续猎鹰9火箭的成功回收立下了“汗马功劳”。这次星跳者看似笨拙的150米高跳跃测试其实也是BFR研发的重要节点，后续两艘更贴近BFR火箭二级的全尺寸原型机——星舰Mk1和Mk2将拿起接力棒，开始更高难度的亚轨道试飞。

三. 星舰Mk1，首个全尺寸原型机

亚轨道试飞完成后，公司还将开建Mk 3和Mk 4，这两台将正式具备进入地球轨道并从大气层外返回的能力（Mk 1没有贴敷隔热瓦）。最后还将制造被称之为“超重型助推器”的BFR火箭一级，并与星舰结合为一枚完整的两级运载火箭，经过一系列渐进迭代改进后进行真正的入轨发射。星舰Mk 1在星跳者的同一场地制造，也就是今天发布会的背景，而Mk 2则在佛罗里达州另一场地制造，公司故意让两支团队同时开工，制造方式略有不同，进度上互相比拼。

让我们回到发布会，在建的星舰Mk1验证机高50米，直径9米，干重200吨，未来有望优化到120吨（PPT是85吨，马斯克口头更正），近地轨道运力150吨，典型可携带返回地球的载荷重量为50吨（也就是网友设想的把哈勃抓回地球是完全可行的），推进剂加注量1200吨。

干重200吨，起飞重量1400吨，干质比1:7。下一代星舰MK4/5干重有望降至120吨，也就是干质比接近1:12，这个干质比相对于猎鹰9火箭1：20的逆天参数显然不够看，但请大家不要忘记这是一款完全可重复使用的运载火箭，尤其是为了回收二级，本身就要有很多牺牲和妥协。而BFR整箭起飞重量超过5000吨，超过土星五号。还有人问到以后改回碳纤维贮箱能不能更轻，马斯克声称如无意外的话，换回碳纤维反而更重，因为碳纤维不耐高温(碳纤维实质就是碳，贮箱用的通常200度以上就怂了)，再入时需要大量额外的防热设计，结果反而更重。当然这只是一家之言，仅供参考。

目前星舰Mk1安装有三台海平面版本的猛禽发动机，均为双摆设计，推力200吨，比冲330秒左右，同时充当着陆发动机。未来正式版星舰将安装有6台猛禽，另外三台是真空版，发动机固定不可摆动，真空推力220吨，比冲目标为380秒。总的来讲，经过多个版本迭代，这部分并无惊喜，毕竟比冲受到液氧甲烷的推进剂组合的理论比冲限制，而猛禽比冲已经确实超过了“蓝色亚轨道”公司特殊富氧循环的BE-4，虽然推力确有不及，不过人无完人不是。

四. 三台组合反推能否互为冗余避免单点失效么？

SpaceX官方曝光了安装在星舰底部的三台猛禽发动机，其安装方式与早前NSF猜测完全一致，等边三角形布置，安装在同一个贮箱底的发动机架上。

贮箱底承受了几乎所有发动机产生的推力，这和前几天火箭院研发的用于某新型火箭的5米直径锥底结构贮箱思路如出一辙，简化传力结构，降低结构质量。但火箭院的做法是采用新型锥底承力，而SpaceX依旧采用传统球底。

火箭院总体设计部设计师董曼红说，传统的火箭贮箱只能承受内部燃料给它的压力。火箭发动机的推力都靠火箭后过渡段承受，再将力均匀扩散到箭壁壳上。这样的传力路径长，占据箭体空间大。中国运载火箭研究院微信公众号

众所周知，目前几乎所有的VTVL火箭在着陆阶段都是依靠一台位于箭体中心轴线的发动机完成着陆。该位置发动机反推可以只产生减速效应而不附带其他额外力矩，适用于悬停稳定后的垂直降落。

中心单台反推发动机的思路很合理，控制率简单，发动机布置容易。但却极易发生单点失效，着陆阶段一旦这台发动机点不着，回收铁定完蛋。这并非危言耸听，2018年2月，重型猎鹰首飞时，芯级就因为点火剂不足，着陆点火失败，直接坠入海中。

着陆失败对于货运发射并不致命，失败了大不了火箭不要了，但是对于以载人为目标的星舰却是绝对不能接受的。目前星舰的三台发动机全都不在箭体中心轴线上，反推时无法避免产生额外力矩，这就要求着陆阶段不能垂降，而是倾斜下落，反推力矩逐渐摆正姿态，着陆前瞬间恰好垂直。控制率远比单发复杂，姿控压力也大，看起来纯属自己给自己添麻烦。这么做目前我唯一能想到的优势就是三台发动机是否可以互为备份（三台发动机相对于星舰自重和预留推进剂是严重富裕的），通过摆动机构、气动翼面、RCS的组合控制，弥补单台失效对着陆的影响。

当然星舰载人方面留下的疑问远不止于此，发布会后马斯克在回答观众问题时曾声称：闭环“环境控制和生命保障系统”（ECLSS）非常简单（请注意，载人龙不是闭式循环的ECLSS），只不过是把二氧化碳变成氧气而已，但作为一项“人命关天”的系统，这样轻描淡写的发言显然不能服众。当然最关键的是，航天飞机曾因为缺乏有效的逃逸设计而备受诟病，而SpaceX目前对星舰的逃逸设计也一直避而不谈，马斯克所说的用猛禽作为逃逸发动机显然不是靠谱方案，这就使其难以进入在载人安全性方面已经“走火入魔”的NASA法眼，当然由于星舰引起的和NASA局长的不愉快，我们暂且略过不谈。

四. 星舰的热防护系统——艰难的抉择，疯狂的迭代

星舰作为BFR火箭的二级，虽然同样采用垂直反推的技术方案，但由于星舰入轨，返回地球时要以25马赫左右的高速钻入大气层，而在更远的火星及月球任务中，甚至要以30马赫以上的高速再入大气层，这就对作为BFR二级的星舰的热防护系统（Thermal Protection System，简称TPS）提出了极高的要求。有趣的是，由于采用了不锈钢贮箱，有效控制分离速度后，BFR的一级（Super Heavy）的回收设计反倒是大幅简化，箭体直接硬扛即可完成回收，不需要猎鹰9上所使用的热防护涂层（铝锂合金耐热性不如不锈钢）。

所以自BFR曝光以来，人们都在好奇SpaceX如何能够解决高可靠、低成本、可复用热防护系统的设计问题，马斯克能否“化腐朽为神奇”将完全可重复使用航天器的这条最大拦路虎解决掉？有人估计会说，这有啥可聊的，直接用龙飞船的热防护系统不就得了，PICA不是挺能扛的么？

是的，PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) 的中文名称为酚醛浸渍碳烧蚀材料，是一种通过烧蚀来实现热防护的材料，烧蚀防热是指在热流环境中，防热材料能够发生分解、熔化、升华等多种吸收热能的物理化学变化，通过材料自身的质量损失消耗带走大量热量。主要成分包括酚醛和碳材两部分。星尘号返回舱是截至目前人类再入速度最快的航天器，135km高度再入速度高达12.4 km/s，在110s的时间内飞船速度便从36马赫数降低到了亚声速，返回的过程中舱体表面的最高温度超过 2900℃。但所谓成也烧蚀，败也烧蚀，这种材料的实质就是牺牲我自己，保护航天器，但他并不能满足高度可重复使用的星舰的要求，每次返回后都会发生减薄，表面也烧的一塌糊涂，所以SpaceX必须找到一种新的材料和设计，解决这个问题，这时候一种“古老”而“新潮”的思路进入了SpaceX法眼——发汗冷却（Transpiration Cooling）。

发汗冷却顾名思义，其原理和人类出汗如出一辙，是指冷却剂（星舰是液态甲烷）顺着热防护系统表面的大量细密板孔渗出，甲烷渗出后迅速吸热升温蒸发，带走大量热量，同时形成冷却层和边界层以进一步隔绝热量，同时层间流动还将降低表面阻力。而SpaceX之前宣称将利用星舰的着陆推进剂，在迎风面设置大量发汗孔和管路，甲烷不断流过迎风面后的管路，一部分挤出发汗冷却，另一部分跟贮箱壁对流加热，不再需要隔热瓦，不再需要PICA。看起来很高大上是不是？其实并没有，这个技术其实一点儿也不新鲜，在液体火箭发动机的推力室上冷却设计上，发汗冷却已经十分普遍了，只不过是首次用在航天器再入而已，相关文献十分丰富，在这里不再赘述。

除此之外，SpaceX也没放弃传统的隔热设计，与NASA的Ames研究中心签订了技术支持合同，意图获得另一种先进非烧蚀隔热材料的技术转让，没错，就是整体增韧抗氧化复合结构，英文缩写TOFROC，而这种材料并不是“实验室里的花朵”，而是一种“久经考验”的热防护材料，曾用于波音承制的X-37B上，并将用于追梦者小型航天飞机上。

TOFROC 作为一种陶瓷隔热瓦，解决了早期航天飞机使用的RCC材料在耐温能力、强韧化性能和制备尺寸等方面的缺陷，基本突破了航天飞机的薄弱环节，不仅能够承受再入时产生的高温，还解决了陶瓷瓦在高温环境下的热裂和抗氧化等瓶颈问题。

TUFROC具有三个重要特点：一是能承受1700℃高温，高于航天飞机采用的增强C/C防热材料的耐受温度，而且可以重复使用；二是密度低、质量轻，航天飞机机翼前缘采用的增强C/C防热系统的密度约为1.6g/cm3，而TUFROC防隔热系统的密度仅为0.4g/cm3，后者的材料密度仅为前者的四分之一；三是制造周期短、成本低，TUFROC防隔热系统制造周期是航天飞机防热系统的1/6到1/3，成本为1/10。作为第四代可重复使用防隔热材料，TUFROC克服了航天飞机隔热瓦的脆性问题，在抗氧化和抗热冲击性能提升方面进行了很大的改进，是新一代航天飞行器“非烧蚀型”轻质高强韧性热防护材料的杰出代表。《空天飞行器用热防护陶瓷材料》，作者：陈玉峰、洪长青等

这个时候，外媒普遍猜测SpaceX的TPS方案是在星舰的头锥、翼面前缘等热流峰值最高或不便于布置发汗结构的局部区域使用TOFROC，而在迎风面大部使用发汗冷却，背风面使用不锈钢硬扛，从而最大限度减少TPS的重量，减少星舰干重，提高运力。

航天飞机再入温度分布图，亮黄色是温度最高的区域然而，发布会上，马斯克坦言发汗冷却（Transpiration Cooling）已经被当前版本的星舰废弃，那么迎风面不是只剩下隔热瓦了么？如果全部被隔热瓦覆盖，那不就成了？是的，你没猜错！正是这位已经退休很久的“长者”。

五. 航天飞机二代，星舰的神话结束了么？

发布会上，马斯克宣布了隔热瓦将彻底覆盖星舰迎风面，而这样一来，那个曾经“成也隔热瓦，败也隔热瓦”的航天飞机又回到了SpaceX的桌面，航天飞机的热防护系统设计既是成功的范例，又是失败的典型。

实际上，航天飞机的热防护系统设计相当成功，也相当复杂，这个话题讲上一天一夜，或者单独写本书都不一定说的明白。但简要来说，航天飞机再入时温度的分布很不平均，材料适用性也有所不同。

最高表面温度分布为了应对这些情况，航天飞机实际上使用了4种防热材料，两万多块形状各异的隔热瓦。航天飞机在发展中，隔热材料也发生过变化，限于当时的防热技术限制和种种原因，航天飞机热防护系统的可维护性堪称一场灾难，尤其是哥伦比亚号再入解体事故后，热防护系统的翻修便屡屡被人诟病。

SpaceX为什么走着走着又回到了航天飞机的老路上了呢？

因为事实上，人类手中并没有太多的牌来对付大气层的加热。

SpaceX其实并没有什么黑科技，最擅长的是已有技术的合理组合。

就像特斯拉的电池包。X-37B的成功经验能让星舰走出这个陷阱么？能让快速完全重复使用成为现实么？

不知道，拭目以待吧。

但是，航天飞机的方案是一无是处么？当然不是！

上图为三种不同轨道飞行器上表面热流随温度的变化关系。第一种为载人航天飞行器近地轨道载入（类似神舟和联盟），第二种为单级轨道吸气式飞行器上升阶段（类云霄塔），第三种为航天飞机轨道器下降过程（峰值较低的虚线）。从图中可以看出，在第一种情况下，表面热流在很短的时间内就能达到最大值；而在航天飞机的情况下，较长时间内迎风面仍保持着很高的热流密度，但是最高值相对于直接再入要低得多，这就大幅降低了对热防护材料的性能需求。不仅如此，航天飞机的再入过载远低于载人飞船，如果星舰未来真的有大规模载人的可能，这种再入方式的确是必不可少的。

为了不重蹈航天飞机的覆辙，SpaceX针对TOFRUC做了大量试验，为了验证这种隔热瓦的贴敷性能，公司还在星跳者贮箱外表面和着陆支腿内侧安装了测试用的隔热瓦。不要小看这“贴瓷片”的验证，由于贴敷技术不成熟，航天飞机在研发初期就曾被隔热瓦大面积脱落的问题长期困扰。

除此之外，马斯克称星舰为了继续降低再入难度，还引入了航天飞机的蛇形机动，航天飞机在再入阶段走的是Z字形，飞控会控制姿态，是两侧翼面以一定规律交替受热，从而降低热流峰值。

但航天飞机的设计极富挑战。航天飞机的水平着陆是无动力的滑翔着陆。换句话说，航天飞机一旦脱离地球轨道、进入大气层，就是一锤子买卖，不可能复飞的，必须在指定地点降落下来。这要求航天飞机具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距离，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的着陆操控性能。换句话说，应该采用具有较高升阻比的细长机翼。但是，航天飞机在返回大气层之初，速度可以高达24马赫，这样的高超音速要求采用阻力最小的升力体。但折中都是有代价的，航天飞机的操纵特性据说和一块飞行的砖头差不多，而且返回时必须沿一条精细计算过的在瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的路径下滑，以最大限度地降低热负荷，使用要求非常高。《钱学森弹道和“太空水漂”——谈谈航天器的返回》作者：晨枫

航天飞机的滑翔式的再入轨道是一个很小的窗口，既要避免“过度滑翔”造成的累积气动加热过度，又要避免“过度减速”造成的瞬时增温失控。而SpaceX的星舰由于采用垂直反推着陆，而非滑翔水平着陆，其轨道设计的裕度和空间瞬间就不再受到滑翔能力的制约，可以引入更多的着陆方案和轨道设计来降低再入热流峰值，比如说——跳跃式弹道。

跳跃式再入采用弹道式再入和大气层内滑翔式再入之间的全新方式。这是在大气层边缘向打水漂一样用弹跳的方式滑翔再入。换句话说，在接近大气层的时候，用较小的角度进入，在大气层外缘“下沉”过程中，利用大气层和近地空间的空气密度差，产生强大的气动升力，把航天器弹跳出大气层。地球引力将使航天器再次回落，产生又一次弹跳。在此过程中，速度逐渐降低，直到不再有足够动能形成新的弹跳，而自由下落，返回地球。这样做的好处是，每一次擦过大气层边缘的时候，气动加热的时间较短，弹回寒冷的近地空间期间正好借机将热量耗散掉，这样一凉一热，直到动能被耗散到一定程度后，不再跳跃，直接进入大气。

总的来讲，像航天飞机一样背风面也贴敷防热材料的方案是不可接受的，所以使劲浑身解数降低再入热流的峰值，不惜提高总的加热量。除此之外，星舰亮瞎眼的外观其实也是一项防热设计，总有人问说这个buling-buling外观如何降低加热量呢？很简单，我两张图就能解释清楚。

六. 或许BFR唯一不变的就是变了

总的来讲，我们并不知道SpaceX为什么放弃了发汗冷却，但是他一定有他的理由，从2016年第一次公布这款火箭开始，3年间唯一不变的就是变，就像这次发布会的名字一样，他只是“星舰”这款硬件的一次Update而已，以后还会有无数次Update。

总之，星跳者的成功只是“万里长征第一步”，即使星舰Mk1能够如约于年内亚轨道试飞，星舰的未来入轨之路依旧道阻且长，而BFR渐进迭代的设计思路到底能否奏效，SpaceX的火星蓝图究竟会是“梦想成真”还是“黄粱一梦”？还是让我们拭目以待吧，有关殖民和火箭一级的问题，改天再聊。

（全文完）

看来很多人不知道一个情况，spacex 压根没有什么技术。都是从 NASA 偷的。国有资产流失啊。。这个BFR最大的亮点就是用不锈钢做火箭外壳。空叉连这个技术都是没有，直接外包给水塔公司做的。

证据1：elon musk 亲口说的水塔能飞，满嘴放卫星。

证据2：工地 Boca Chica 附近居民声称看到过拉不锈钢罐体的卡车经过。车身标志 Caldwell

证据3：破案！卧草党直接偷拍到卡车侧面照片。注意看绿色集装箱上的 CALDWELL 标志。

照片来源来自 NasaSpaceFlight 论坛帖子。一个专门爬墙偷拍的网站。美国铁血网。

看火箭这烂怂箭体样子，一看就是山寨水平

火箭外壳就是一片一片从 Caldwell 集装箱里取出来安装上去的。

Caldwell 自己官网logo和卡车上的如出一辙，就是个专门修水塔做罐体的公司

然后 elon musk 这个美国贾跃亭就开始在这样的水罐下开发布会骗投资人的钱了。

ppt火箭，那不用说了肯定不如长征9 。