导读
美国太空探索技术公司(SpaceX)的星船(Starship)是一款在研的多用途航天器，旨在将地球轨道、月球、火星等作为飞行目的地、拥有超过100t的低地球轨道(LEO)运载能力并完全可重复使用。Starship采用液态甲烷和液氧(CH4/LOX)推进剂，配备SpaceX自研的猛禽(Raptor)液氧甲烷发动机。Starship作为火箭系统二级搭配作为一级/助推器的超重(Super Heavy)，构成了“星船(系统)”。目前，Starship的研发正在采用“快速迭代”方式进行原型机的快速建造与试验测试，并逐步优化设计，向首飞目标加速推进。
美国太空探索技术公司(SpaceX)的星船(Starship)宇宙飞船和超重(Super Heavy)火箭(统称为“星船(系统)”)代表了一种完全可重复使用的航天运输系统，旨在将乘组人员和货物运送到地球轨道、月球、火星及更远太空。星船（系统）计划成为有史以来最强大的运载火箭，设计地球轨道运输能力将超过100t。
星船(Starship)是完全可重复使用的航天器，是星船（系统）的二级。Starship提供了一个集成的有效载荷部分，能够将乘员和货物运送到地球轨道、行星目的地以及地球上各目的地之间。
超重(Super Heavy)是SpaceX下一代发射系统——星船（系统）的一级，总起飞质量超过300万kg(3000t)，并使用过冷的液态甲烷和液氧(CH4/LOX)推进剂。Super Heavy初始设计为使用其6条着陆腿进行着陆，并在着陆时选择直接返回发射场着陆。
图表：星船（系统）设计指标
资料来源：SpaceX
星船(Starship)自2018年设计基本定型后，便迅速开始了原型机的建造与试验。从2018年年底开始，Starhopper和Starship Mk系列、SN系列原型机依次上阵，在两年多时间内快速迭代并广泛试验。本文主要介绍Starhopper和Starship Mk1～4、SN1～4的试验情况，具体如下。
Starhopper
星虫(Starship Hopper/Starhopper)，别称“Starship Alpha”，是Starship的原型试验机，类似于猎鹰九号(Faclon 9)火箭的蚱蜢(Grasshopper)火箭原型试验机。2018年底开始建造的Starhopper摒弃初始设计的碳纤维复合材料，改用300系列不锈钢(已确定为301)。另外，Starhopper并未采用Starship上的舷窗设计。此外，作为测试飞行并用于开发着陆和低空/低速的控制算法，Starhopper原计划配置3台猛禽(Raptor)液氧甲烷发动机，后改为仅配置1台偏置的发动机用于悬停和低空测试飞行，此外还包括稳定翼(stabilizer fins)和鼻锥(nose cone/nosecone)。Starhopper全箭高39m(128ft)，直径与Starship设计直径9m(30ft)一致，采用12.5mm(0.5in.)厚度不锈钢。
Starhopper设计图(左)与实拍图(右)对比(注：图片经过剪裁，尽可能等比例缩放)
2019年1月22日至23日夜间，Starhopper鼻锥(nose cone/nosecone)被强风损坏，然后报废，因此随后的测试并未使用鼻锥，仅使用Starhopper下半部分。
2018年底公开的正在建造的Starhopper原型机制造现场
2019年4月3日、5日，安装有Raptor SN2的Starhopper先后成功完成2次系留跳跃(tethered hop)测试，其中单台Raptor发动机仅燃烧了数秒钟，并且Starhopper被系留在了地面上，离地距离很小。
Starhopper配置非官方制图(图源：Giuseppe De Chiara)
2019年7月25日，安装有Raptor SN6的Starhopper进行了约20m(66ft)(注：一说“18m”，无官方数据)高度的悬停测试飞行，同时还执行了短距离的简单平移操作。而美国联邦航空管理局(FAA)在该飞行试验前的审批限制为25m——“根据其申请，SpaceX可以在不超过AGL(注：指“地面高度”(Above Ground Level))25m的高度上操作Starship Hopper运载器”。
2019年7月25日Starhopper的20m高度悬停测试飞行多视角画面(来源：Sebs .Knowledge)
2019年8月26日，因Raptor SN6“点火器需要检查”，Starhopper既定的150m测试飞行被推迟到次日。2019年8月27日，安装有Raptor SN6的Starhopper成功进行了高度约150m(490ft)的测试飞行,飞行时长57s，并成功着陆在距离发射台约100m远的着陆区。位于Starhopper顶部附近的数台冷气推进器帮助保持了Starhopper的稳定。
2019年8月公开的Starhopper的150m测试飞行
Starhopper原计划的测试飞行高度为200m，但美国联邦航空管理局(FAA)在对其飞行试验进行第二次审批时，在“不超过25m”一条的基础上，增加了“不超过150m”一条——“根据其申请，SpaceX可以在未经FAA进一步许可的情况下，将Starship Hopper运载器进行一次飞行，飞行至标称高度为150m AGL(注：指“地面高度”(Above Ground Level))或更低，起飞时最大推进剂负载为30公吨(metric tons)”。
Starhopper并未按照原计划进行亚轨道级别飞行测试，而是在150m测试飞行结束后计划转为猛禽发动机的垂直试车台。
除了用于飞行测试的Raptor SN6外，还有2台Raptor发动机参与了Starhopper的建造与测试计划：
- Raptor SN4于2019年6月初安装到Starhopper上，以进行配合检查;
- Raptor SN5原本计划安装到上Starhopper进行首次未系留的测试飞行(20m)，但其在地面测试中因持续测试而损坏，随后被Raptor SN6替代。
Mk1～4
Starship Mark 1～4(Mk1～4)是Starship一系列较大尺寸的原型机，或称“全尺寸原型机”，并且基本是定型设计/最终设计。为了提升效率和加速迭代，该系列原型机分别由SpaceX公司的2个独立团队在美国两地——德克萨斯州和佛罗里达州制造。其中，德克萨斯州团队首先开始的是Mk1，而佛罗里达州团队首先开始的是Mk2，二者自2019年5月14日开始被大量曝光。
2019年9月27日公开的星船Mk1最终吊装现场
曝光于2018年年底的Mk1直径9m(30ft)，高约50m(160ft)，干重(注：指船体净重)约200t、湿重(指：加注推进剂后总重)约1400t。Mk1主要分为鼻锥和储罐(下半段)等两大部分，分别配备两组(每组两个)用于用于控制的空气动力学翼面，计划采用3台猛禽发动机(Mk3后计划为6台，但实际并未安装)，并配有6个内置可伸缩式着陆腿。此外，除储罐外，Mk1还拥有冷气姿态控制推进器、大型电池等其他已知的关键系统。其中，Mk1使用了4个特斯拉100kWh(360MJ)锂离子电池组和特斯拉Model 3的电机来提供控制(舵)面的电动液压驱动(electrohydraulic actuation)，并计划在后续版本(注：可能是Mk3)中迭代该配置，以消除液压蓄能器和相关的低效(问题)。
2019年公开的疑似Mk1储罐/下半部分穹顶吊装
2019年05月14日，在被问及两个竞争团队是否不知道对方在做什么、(SpaceX)是否从每个团队那里学习最好的经验以及失败的团队是否被淘汰时，马斯克回应：“相反。某一团队获得的任何见解都必须与另一团队共享，但另一团队则不需要(必须)使用它们。”
2019年9月公开的SpaceX在德克萨斯州博卡奇卡的星船建造基地一角(图中为Mk1)
2019年5月30日，在被问及Starship新的发动机设计时，马斯克回应：“机翼/襟翼和着陆腿设计再次发生变化(叹气)。不过，对时间表的影响不大。”
2019年9月23日，从马斯克公开的的照片可以看出，在Starship Mk1下半段上增加可动后翼(the rear moving fins)，如下图。
2019年9月23日公开的安装了可动后翼的Starship Mk1原型机
随后，在被问及整流罩(鼻锥)是否可在(2019年9月)28日(星船发布会)安装到Mk1上时，马斯克表示“是的。整流罩中包含大量硬件，这些硬件已在地面上集成，这就是为什么我们没有将其(注：指Mk1)封闭的原因”，其随后补充道“鼻锥具有可动前翼、冷气姿态控制推进器、用于着陆的顶部储罐(header tank)、复合压力容器、数个大型电池等。(鼻锥)放置在此处可平衡底部猛禽(发动机)和后翼的质量”。
2019年9月23日公开的星船Mk1建造现场夜间工作场景
在被问及(后部可动翼)附着在超重(Super Heavy)上起飞时是否会折叠收好并被指出“3个着陆腿在上升时(全配置)在空气动力学方面极不稳定，在着陆时下降也极不稳定”时，马斯克否定了着陆腿可能存在的空气动力学不稳定性：“对于3(个着陆腿)，稳定性并不是问题”;在被继续追问着陆下降时着陆腿可能存在的空气动力学不稳定性的问题时，马斯克补充道：“稳定性由再入和着陆期间的后翼和前翼以及ACS(注：姿态控制系统)推进器的(非常)快速运动来控制。较小的背风(leeward)‘翼’将仅用作一支着陆腿”，其随后补充道“当前的、我不完全买账的分析表明，2片尾翼与单独分离的机身安装着陆腿将更轻，所以这是Mk1/Mk2的计划”;再继续追问后翼设置的修改是否会影响前(或顶部)翼或者它们是否会保持不变时，马斯克回应道“对于气动控制，它下降到横截面积移动与否的%(For aero control, it comes down to % of cross-sectional area moving vs not);只要在质心和压力范围内，前后位置都可以灵活选择”;最后被追问“箭身襟翼是否可沿二面角(dihedral)以外的轴运动?”、“如果它们只能铰接二面角，那么当它们到达着陆的末段时该如何工作?”、“下降的末段不需要通过X轴进行某种鸭式(Canard)铰接(articulation)操作吗?”时，马斯克肯定了网友的回答——“(星船)可能将底部的舵面向后推、顶部的舵面向前推动，然后等到正确的方向，然后启动发动机并将舵面放回原位”——“大致正确。我们还启动了ACS推进器来转动飞行器(注：指“星船”)，并以全框架角(full gimbal angle)启动猛禽(发动机)来完成转向”。
2019年9月公开的星船Mk1下半部分转运现场
在被问及星船系统是否继承了猎鹰九号相关回收着陆技术经验(如滚转机动、大气层再入、着陆点火)时，马斯克表示：“超重(Super Heavy)火箭很像猎鹰九号，但飞船(注：指“星船”)是龙(飞船)、猎鹰九号(火箭)和跳伞运动员(skydiver)的奇怪组合”。
2019年9月25日，马斯克表示“Mk1干重约200t、湿重约1400t，但Mk4或Mk5的目标是120t(注：指“干重”)。(星船/超重)最大有效载荷下的全配置总重为5000t。”
2019年9月公开的星船Mk1下半部分吊装现场
Mk1原计划2019年10月进行轨道级20km(高度)测试飞行，但一度推迟，直至不了了之。Mk1在组装完毕后进行了一系列压力测试并(疑似)修复了部分储罐的泄漏，但随后在2019年11月20日进行储罐(疑似液氧储罐)最大压力测试时发生爆炸，储罐/Mk1下半部分的穹顶被炸开。当晚，SpaceX事后向CNBC记者发布的声明表示：“测试目的是将系统加压到最大，所以(爆炸)结果并非完全出乎意料。没有人受伤，这也不是一个严重的挫折。”
2019年11月20日Mk1储罐最大压力测试非官方直播截图(来源：拼图来自网络;原始直播流来自LabPadre)
在Mk1测试爆炸当天晚些时候，马斯克在回应网友提问时表示：“当然，但要转到Mk3设计。作为一个制造的探路者，其(注：指Mk1)有一些价值，但飞行设计却截然不同。”当晚稍晚一点的SpaceX向CNBC记者发布的声明中也延续了这一回应：“正如埃隆在推特上说，Mk1是一个有价值的制造探路者，但飞行设计却截然不同。我们已经决定不试飞该测试机(注：指Mk1)，团队重点是Mk3的建造，而它是为轨道设计的。”
2019年9月28日公开的星船Mk1建造现场夜间画面
Mk1测试爆炸后，与Mk1同时开始建造的Mk2停止建造;而已经从2019年10月开始建造的Mk3仍在继续建造，并于同年12月更名为“SN1”;作为Mk2后继者、与Mk3同时开始建造的Mk4并没有立即停止建造，但最终完全停止了制造。
Mk1因压力测试暴露出来的储罐结构等问题(主要是穹顶)得到针对性解决，并在后续2020年1月的系列压力测试中证明了该问题的解决。
SN1～4
2019年12月，Starship Mk3更名为“Starship SN1”，星船(Starship)开始了全新的原型研发序列。SN1～4虽然原计划中SN1有轨道级飞行测试计划、SN3有短跳——低高度飞行/悬停飞行计划、SN4有更长时间的飞行测试计划，但均因为测试出现问题而取消。发动机配置方面，SN1原计划配备6台猛禽发动机——海平面型和真空各3台，而事实上仅SN4先后以单发配置安装过2台Raptor发动机——Raptor SN18、SN20。SN1～4在报废前均未配置翼面等其他零部件或尚未到达安装翼面等的阶段。
SN系列每台原型机都至少会有一些小的改进，并大约持续到1.0版本星船(Starship V1.0)的SN20。SN与Mk相比，生产工艺发生一定变化，包括冲压成型与手工凸点成型、TIP TIG焊与药芯焊丝等不同，从而使精度更高、接头更强，并减少20%的质量。
2020年1月，SpaceX先后至少在2个测试储罐上进行了系列压力测试：
- 2020年1月10日，测试储罐因加压过高而破裂，储罐(穹顶与储罐侧面间焊缝)达到7.1bar(710kPa)压力;
- 2020年1月27日，另一测试储罐首次压力测试，在出现泄漏之前承受了7.5bar(750kPa)压力;
- 2020年1月28日，上一储罐在对上次压力测试时的泄漏处进行焊接后再次进行了低温压力测试，该储罐被加压至破裂，破裂时压力为8.5bar(850kPa)。
然而，尽管测试储罐最终破裂，但测试仍被认为是成功的。由于Starship非载人状态下进行轨道级飞行能承受的储罐压力最高约为6bar(600kPa)，而出于安全原因，执行载人飞行任务会将其提高至1.4倍(安全系数)，即8.4bar(840kPa)。该测试储罐在该系列试验中是达到8.5bar(850kPa)压力时破裂的，即初步证明了其载人飞行的安全性。
SN1
2020年1月公开的星船SN1鼻锥和液氧头部储罐制造现场
2020年2月，SN1正式开始组装。但由于存在和Mk1上一样的下部储罐推力结构设计问题，SN1在2020年2月28日的低温压力测试中破裂。SN1结构从下至上破裂，穹顶大部分飞到空中后坠落。破裂时，SN1并未没有安装前锥体、飞行控制结构、猛禽发动机，而是静置在测试台上。SN1故障归结为靠近发动机的箭体薄弱部分的不良焊接，焊缝承压时会破裂。
2020年2月公开的星船SN1储罐
SN2
随后的SN2专门解决了SN1下部储罐推力结构设计问题，主要加装了推力圆盘(thrust puck)，且船身环向褶皱大幅降低，其结构相对SN1简单直接，尺寸更小，以在压力条件下测试推力圆盘到储罐穹顶的焊接，计划从水过渡到低温推进剂。SN2于2020年3月8日成功进行了低温压力测试和发动机推力载荷测试。由于SN2仅为测试而简单设计，测试结束后即报废。
2020年3月曝光的星船SN2低温压力测试(图源：NASASpaceflight-bocachicagal)
SN3
SpaceX原计划SN3用于静态点火测试和短跳——低高度飞行/悬停飞行，而SN4则用于更长时间的飞行。
2020年3月公开的星船SN3仰视照片
SN3在2020年4月3日的低温压力测试中由于测试配置错误而破裂，而不是由于设计或制造错误。具体原因是，液氧储罐压力不足(用加压氮气实现)，无法在甲烷储罐承受重负载时保持稳定性。
2020年3月公开的星船SN3的底部视角
SN4
SN4于2020年4月26日先后成功完成了环境压力测试(ambient pressure test)和低温压力测试，最大压力为4.9bar(490kPa)，成为了自尺寸较小的SN2测试罐成功通过低温压力测试以来的第一架Starship原型。随后，安装了Raptor SN18的SN4于2020年5月5日、7日分别成功进行了2次静态点火测试，首次测试持续约4s，测试分别使用主储罐(main tank)、顶部储罐(header tank)，顶部储罐(header tank)更小且位于主推进剂储罐穹顶/圆顶中心，用于直接向Raptor发动机输送燃料。
2020年4月公开的测试台上的星船SN4
拆下Raptor SN18的Starship SN4于2020年5月10日进行了新一次低温压力测试，最高压力达到7.5bar(750kPa)。但随后装上Raptor SN20的Starship SN4于2020年5月19日进行第3次发动机静态点火测试时出现问题。振动破坏了发动机中的甲烷燃料管道并导致泄漏，该泄漏被点燃并蔓延到可燃的绝缘层，大火严重破坏了SN4底座并破坏了控制线路，并使得SpaceX在48h内无法控制推进剂储罐减压。
2020年4月公开的星船头部贮箱内部结构
2020年5月29日，安装了Raptor SN20的SN4顺利完成单台发动机第4次静态点火测试，测试仅持续了数秒，但随后发生爆炸并导致SN4被破坏，爆炸可能是地面支持设施(Ground Support Equipment，GSE)的快速断开功能故障导致的。
2020年5月公开的静态点火前星船SN4底部照片
总结
从上述Starhopper和Starship Mk1～4、SN1～4等原型机的试验来看，Starship原型机的快速迭代在一开始并不是十分顺利，中途出现多次影响既定计划的问题，但是通过快速定位与改进，SpaceX迅速解决了问题并进一步优化了Starship的设计;同时，在Mk1～4中采用团队竞争模式，通过并行研发，加速设计改进和建造速度，虽然最终团队竞争模式因多种原因被取消，但无疑该模式提升了Starship原型机的效率，并对Starship的最终设计定型奠定了基础;虽然露天建造条件简陋、监管部门限制严格，但是基本上并未影响其在研发与测试的道路上继续前进。
参考文献
[1] STARSHIP USERS GUIDE Revision 1.0.
[2] EXPERIMENTAL PERMIT ORDER REGARDING REUSABLE SUBORBITAL ROCKET LAUNCHES Under Experimental Permit No. EP 19-012.
[3] EXPERIMENTAL PERMIT ORDER REGARDING REUSABLE SUBORBITAL ROCKET LAUNCHES Under Experimental Permit No. EP 19-012A (Rev 1).
[4] Starship - Next Spaceflight.
[5] SpaceX begins Starship hopper testing.
[6] Starhopper Demonstrates First Untethered Flight and SpaceX’s Rapid Pace of Innovation.
[7] SpaceX's Starhopper completes 150 meter test hop.
[8] SpaceX readying Starhopper for hops in Texas as Pad 39A plans materialize in Florida.
[9] SpaceX’s Elon Musk tweets a sneak peek at his Starship vision.
[10] SpaceX completes another round of Starship tests at Boca Chica.
本文转自微信公众号“高端装备产业研究中心 ”，作者：太阳谷。
———— END ————
精彩评论