SpaceX星艦

早在2007年，伊隆·马斯克就表示他个人的目标就是最终能让人类得以探索并殖民火星[20][21] 。关于登陸火星的計畫架構在2011到2015年间被陸續揭露開來，其中一份2014年的声明表示最初的殖民者到达火星的时间不會早于2025年[22] ，時至2016年年中，此項计划仍然把这一日期定为不早于2025年。

2011年，马斯克在一次采访中表示他希望在10~20年内把人类送上火星[21]。 2012下半年，他表示他设想了一个人口达数万人的火星殖民地，而其中的殖民者到达火星的时间不早于2025年[22][23][24]。

2012年3月份，新闻报道声称猛禽火箭发动机上面级已经开始研发，但当时SpaceX没有公布任何细节。[25]

2012年10月，马斯克构思了一个高层面上的有关建造第二套运载能力远超猎鹰九号与猎鹰重型的可重复使用火箭系统的计划，而SpaceX已经在原先的系统上花费了数十亿美元[26]。这款新运载火箭将会是对猎鹰九号火箭作出的一次“演进”，而且将会大许多。但马斯克表示在2013年前SpaceX不会公开發表这项计划[22][27]。

2013年6月，马斯克表示他打算在“火星殖民运输器”定期飞行之前推迟对SpaceX的首次公开募股。[10][28]

2014年8月，有媒体消息人士推测，SpaceX超重型运载火箭的最早试飞最早可能会在2020年进行，以便在太空轨道飞行条件下对发动机进行全面测试。[29][30]

2015年初，马斯克表示他希望在2015年底发布有关火星殖民运输系统“全新架构”的细节。马斯克的这些计划最终因为一次SpaceX的发射意外被推迟，[30][30][31][32][33]而SpaceX公司直到2015年十二月下旬才恢复发射[34]。

2016年9月，马斯克公布了一项SpaceX的设计概念，该概念为一款直径12米（39英尺）的大型运输火箭：ITS运载火箭。ITS运载火箭将会专门用于行星际运输。[35][34]同时马斯克还讨论了SpaceX火星运输任务的整体细节。这其中包括ITS运载火箭的一部分数据（核心直径，火箭结构材料，发动机的数量和类型，推力，货物和乘客有效载荷能力），在轨推进剂 - 油轮补充装置，运输所需的大概时间和火星侧与地球侧基础设施的一部分。为了完成火星运输任务，SpaceX需要建造一组共三架飞行器。

构成2016 ITS运载火箭概念的三种不同的火箭是：[14][36]

ITS助推器，运载火箭的第一级

ITS宇宙飞船，一个用于长期居住/载货的太空飞船，作为火箭的第二级

ITS油轮，另一个第二级，设计用于携带更多推进剂，为太空中的其他ITS火箭加油

该演讲也提出了更大的愿景，希望其他感兴趣的各方（无论是公司，个人还是政府）能够利用SpaceX所希望建立的，新的，成本低得多的运输基础设施，以便在火星上实现可持续的人类文明。[34][37][38]

2017年7月，马斯克表示ITS的设计已经“改进了很多”。改进后的设计使该系统对大量的地球轨道和顺式发射更为有利，这样系统可以通过近地空间区域的航天经济活动来收回成本。[39]

2017年9月，在国际宇航大会第68届大会上，SpaceX公布了最新的火箭设计。马斯克在大会上说：“我们正在寻找正式的名称，但目前代称是BFR。”[14]，采用甲烷分级燃烧火箭发动机技术，最初会用于地球轨道和地月飞行环境，将来也可用于飞往火星的任务。[40][11]

SpaceX于2017年修订的设计是一种直径为9米（30英尺）的碳复合材料技术火箭，它的后端包括一个小三角翼，其中一个是用于控制俯仰和滚转的分瓣。其三角翼和分裂襟翼能够扩大飞行包线，以使飞船能够在各种大气密度（无，薄或重的大气层）中降落，并可供各种有效载荷（小型，重型或无载荷）放置在飞船的鼻锥裏。[41][42]该火箭的第二级有三种版本：BFS货运，BFS油轮和BFS载人。货物版本将用于发射卫星到低地球轨道 - 提供“比以前更为量大的撒土豆行为”[41] - 还能运输货物到达月球和火星。在高椭圆形地球轨道上重新加油后，宇宙飞船的设计将使其能够一次性登陆月球并返回地球而无需再次加油。[40][42]

此外，BFR系统在理论上被证明能够以快速地对地的方式运载乘客或货物，并在90分钟内将其有效载荷运送到地球上的任何地方。[41]

截至2017年9月，猛禽火箭发动机已经过42次主发动机测试，共计有1200秒的测试点火时间。测试发动机在 20MPa（200bar; 2,900psi）压力下运行，而飞行发动机的室压目标则是25 MPa（250 bar; 3,600 psi），SpaceX预计在后续迭代中让发动机达到30 MPa的室压（300 bar; 4,400 psi）。[42]

2017年11月，SpaceX总裁兼首席运营官Gwynne Shotwell表示，大约一半的BFR开发工作都集中在猛禽火箭发动机上。[43]

2017年SpaceX的目标是在2022年将前两个货运载荷送到火星，[40]这两个货运载荷的目标是“确认水资源并识别危险”，同时为未来的航班安装“电力，采矿和生命支持基础设施”。其次是2024年的四艘船，包括两艘载有人员的BFR太空船与两艘装有货物的船，两艘货运飞船将带去额外的设备和用品，其目的是在火星建立推进剂生产厂。[42]

到2018年初，SpaceX已在洛杉矶港开始建造一座新的永久性生产设施，用于制造其直径9米的碳纤维复合材料箭体。2018年3月，第一艘船的制造工作正在港口的一个临时设施中进行，[44]而第一次亚轨道试飞计划将不早于2019年。[44][45]该公司继续公开表明其最初的理想目标是在2022年就能执行BFR去往火星的载货任务，随后是2024年飞往火星的首次载人任务，[44][11]这符合2017年末提到的时间表。

早在2015年，SpaceX就一直在寻找制造设施的地点，以供建造大型火箭，并在加利福尼亚州，德克萨斯州，路易斯安那州，[46]和佛罗里达州进行实地调查。[47]截至2017年9月，SpaceX已经开始制造运载火箭的部件。“我们已经订购了用来制作储料罐的工具，该设施正在建设中，我们将在2018年第二季度开始建造第一个原型。”[42]

在2018年3月，SpaceX宣布将在2018 - 2019年在洛杉矶港海滨大道建造的新工厂生产下一代9米直径（30英尺）的运载火箭和太空船。SpaceX租用了18英亩的土地10年，可以进行多次更新，并将利用该场地来制造箭体，在海上着陆后复查箭体，以及对助推器和宇宙飞船进行翻新。[47][48][49]新工厂分别在2018年4月和5月份由海港事务委员会[39]与洛杉矶市议会通过最终监管批准。[50]那时，大约已有40名SpaceX员工正在设计和建造BFR。[46]随着时间的推移，该项目预计将有700个技术职位。[47]洛杉矶的临时设施是一个203500平方英尺（18910平方米）的建筑物，大约有105英尺（32米）高。[51]完全组装的运载火箭预计将通过驳船运输，通过巴拿马运河，运往佛罗里达州的卡纳维拉尔角进行发射。[46]

2018年8月，美国军方首次公开讨论了使用BFR的兴趣。美国空军空中机动司令部负责人，对BFR在30分钟内点对点地将150吨载荷投放到世界上任何一个地方的能力十分感兴趣。他们预计这类大型运输能力“可能在未来五到十年内拥有”。[52][53]

在2018年9月宣布的2023年月球环游任务计划中 - 一架名为#dearMoon[54]私人环游任务的星舰展示了第二级和星舰的新设计概念，其中有三个后鳍和两个前鸭鳍，用于大气进入，取代了在一年前显示的三角翼和分裂襟翼设计。修订后的BFR设计在第二级使用了七个相同尺寸的猛禽发动机；与第一级使用的发动机型号相同。第二级设计在船头附近有两个小的驱动式鸭鳍，在底部有三个大鳍，其中两个将启动，所有三个都用作着陆腿。[55]此外，SpaceX还在本月下半月表示他们“不再计划为Falcon 9升级可重复使用的第二级”。[56]BFR运载火箭的两个主要部分在11月份被赋予描述性名称：第二级/上面级的Starship和第一级/助推级的“Super Heavy”，马斯克指出“建造Super Heavy是为了远离地球的深重力井”（在其他行星或卫星可以不用第一级。）“[17]

2018年12月，在开始建造第一个碳复合材料测试部件九个月后，马斯克宣布将采取“违反直觉的新设计思路”：SpaceX主要用于制造火箭结构和推进剂罐的材料将是“相当重的……但非常坚固”的金属。[57][58][59]这随后被证明是不锈钢。

继马斯克个人去到博卡奇卡的SpaceX南得克萨斯州发射场后，马斯克便透露，第一个星舰试验品“星斗”已经建造了几个星期。正如先前所想，星斗将由300系列不锈钢而非碳复合材料制成。根据马斯克的说法，使用不锈钢的原因是“不锈钢明显便宜，而且建造起来很快。它并不是最轻的，但它实际上是最轻的。如果你看一下高品质的属性不锈钢，不明显的是，在低温下，不锈钢的强度提高了50％。”[60]300系列不锈钢的高熔点仍然意味着星舰的背风侧在重返大氣層时不需要绝缘陶瓦，而更热的迎风面将可以使用比其他材料更少的绝缘陶瓦以隔绝热量。

星斗将用于火箭原型测试与开发着陆/低空/低速控制算法。测试火箭只会安装三台猛禽火箭发动机，飞行高度不超过5公里，预计最初飞行时间不会早于2019年上半年。[61][62]

到2019年3月，SpaceX已经取消了他们从Ascent Aerospace购买的数百万美元的碳复合材料生产工具，放弃了所有在洛杉矶港的生产计划，并关闭了复合材料制造厂。[63]

Super Heavy原型建造原本计划在2019年第二季度之前开始。第一批建造的Super Heavy助推器的发动机會少于全尺寸型的28台猛禽火箭发动机，这仅仅是因为早期试飞不需要那么多发动机，而且此举会减少在早期试飞中发生助推器故障时SpaceX的损失。[64]

Super Heavy（超級重型）[18] 是SpaceX下一代运载火箭的第一级助推器，高71米（230英尺），直径9米（30英尺），预计总升空质量为3,530,000公斤（7,780,000磅）[67]它由不锈钢罐和支撑结构构成，使用 过冷液态甲烷和液氧（CH 4 / LOX）推进剂，由29个猛禽火箭发动机，其中内環9個猛禽發動機可改變推力方向。版本二於2022年底提升猛禽發動機數量至33個，其中内環13個猛禽發動機具有向量控制，33具發動機总共提供75.9 MN（17,000,000 lbf）起飞推力。[67]，推重比接近1.5。[71]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分鐘内完成補充燃料。

它拥有4个無法收縮的栅格翼但沒有任何降落腿。[72]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)將會轉變爲熱分級模式，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，啓動上級星艦的發動機並進行分級，以便獲得額外10%的有效載荷性能。[73][74]

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（最早B9）將會改爲由發射塔以筷子/機械臂(Chopsticks/Mechazilla)進行空中捕捉[75][76][77][78]。

藝術家對BFR上級推進器分離時的想像圖

星舰[18][17]是一种可重复使用的航天器，也可作为运载火箭第二级，具有集成的有效载荷部分。星艦至少会有以下变种：[79]

• 載人星艦：一种大型，可供人员长时间驻留的航天器，能够在地球上的点对点目的地、近地軌道或行星际目的地之间往返运送乘客[79]与其附带的少量货物。

• 油輪：油輪的全部空间都将用于携带燃料，以便为轨道上的載人/載貨星艦进行在轨加注。

• 載貨星艦：目前已知有兩種變體，分別是具有雙門式鼻錐，用於將航天器送入軌道，或進行太空回收（目前測試鼻錐擁有此設計）。第二種變體則為單門式鼻錐，用於將星鏈衛星送入太空（S24為第一艘星艦擁有此設計）。截至2023年1月數據，星艦可以携帶最多150噸航天器進入地球軌道，在軌道加油後更可以達到150噸或以上，如果不進行回收則可以達到250噸或以上。

• 星艦人類登陸系統：2020年4月30日，NASA选择了SpaceX参与其阿提米斯计划，SpaceX将会为NASA建造一款可重复使用的月球着陆器。计划中的着陆器将会是星艦的简化版，仅用于在月球表面和LOP-G之间往返运送宇航员和货物。[80]此版本的星舰因为只需往返月球轨道与月面，因此不需要安装大气重返大氣層所需的襟翼和隔热盾。为了不扬起月尘，使用较小着陆发动机将安装在星舰的上半部分。

• 深空飛行器：一种大型的深空飛行器，沒有返回地球所需的襟翼，海平面猛禽發動機，隔熱瓦及捕捉固定鎖，因此沒有返回地球重用的能力。此版本的星艦將會用於长时间的深空探測。

• 油輪碼頭：油輪碼頭高度比星艦更高（未有確切數據），沒有返回地球所需的襟翼，海平面猛禽發動機，隔熱瓦及捕捉固定鎖，因此沒有返回地球重用的能力。油輪能夠與其對接並補充燃料，再為其他星艦進行燃料加注。

星舰的主要特征包括：[75][76][77][78]

• 设计使得该船可以垂直起落，使之能从地球轨道重返大氣層返回到发射台附近，亦可进行地对地、点对点的亚轨道飞行
• SpaceX预计着陆可靠性最终能够达到“航空公司的级别”
• 交会和对接操作将自动化
• 油轮与各种星舰变种之间的在轨推进剂转移
• 一艘星艦在在轨装载后能够将它的有效载荷运输到月球或火星，甚至更遠的星體。
• 不锈钢结构和罐体结构。它的强度 - 质量比与早期的SpaceX设计替代碳纤维复合材料相当或更好，在预期的温度范围内，可以承受从低温推进剂的低温到大气重返大氣層的高温[81]
• 该航天器的大部分结构将采用不锈钢合金制造，该合金“已经过一种深冷处理，其金属是冷成型/加工生产低温处理钢，比传统的热轧钢更轻，更耐磨。“[81]
• 针对大气折返的恶劣条件，热盾系统将使用黑色六角形隔热瓷砖以覆盖星舰的迎风面。[82][83][84]
• 依据2017年的发布会所言，星艦将具有约1000m³（35,000立方英尺）的加压空间，並於2023年1月進一步調整至1100m³（38,800立方英尺）。这些空间可以分配为多达40个舱室，包括一个公共区域，中央存储器，厨房，和一个太阳能火星任务的耀斑避难所。[85]在2018年的改进设计中，星舰可以有12个未加压的货物集装箱总共88m³（3100立方英尺），但那些货物集装箱的设计空间也可能最终用于安排猛禽发动机的插槽。截至2023年，设计仍然在不断变化。
• 灵活的设计选择：能够修改星艦的引擎数量，或是去掉星艦的襟翼，隔热罩和着陆腿 - 以优化质量比。[84]

目前星艦原型艦使用一次性降落脚進行測試，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，現在將會改爲由地面捕捉塔以支架捕捉爪進行堆叠及空中捕捉。

按照2022年2月10日SpaceX星艦簡報會[86]，計劃每三天生產一艘星艦。

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采用六具真空猛禽發動機。[87] [88]

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爲熱分級模式，超級重型推進器將會新增排氣口，在發動機尚未關閉前，啓動上級星艦的發動機並進行分級，以便獲得額外10%的有效載荷性能，並預計將於6星期内完成升級。[89][90]

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、S25、S27、S28的建造及測試記錄，及現役的S26、S29-S32請參閲SpaceX星艦研發歷史

有關S24軌道試飛任務請參見SpaceX星舰轨道试飞任务。

有關S25軌道試飛任務請參見SpaceX第二次星艦軌道試飛任務

有關S28軌道試飛任務請參見SpaceX第三次星艦軌道試飛任務

有關星艦飛行記錄請參閲星艦任務列表。

"BN"是 Booster Number（助推器序號）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

* 地面測試機

* 軌道飛行測試機

S20和B4原定為一組進行入軌並再入測試的星艦。為确保在重返地球時即使S20解體，碎片也不会墜落在陸地上，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衆安全。

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。[108]

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。

BS724於2023年4月20日早上發射升空，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數據，用於修改及改良後續原型艦。

詳情請參見SpaceX星舰轨道试飞任务。

S25和B9原為第二組計劃進入跨大氣層軌道並進行再入測試的星艦。S25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。B9則會於墨西哥灣進行海上軟著陸。

BS925於2023年11月18日早上發射升空，B9上33具猛禽發動機全部正常運作並達到目標高度，與S25進行熱分級，但B9在反推期間因有液氧供應異常並導致其中一具發動機發生不可逆爆炸，導致觸發飛行終止系統於約空中解體，S25則繼續進行入軌推進，排出多餘的液氧時洩漏導致火災，毀壞了星艦上的飛行電腦及通訊系統導致引擎被提前命令關閉，最終飛行終止系統(FTS)啟動導致星艦於約150公里高空解體[109]。

此次測試用於驗證發射場設施升級、超級重型推進器及星艦大量升級、採用電力驅動向量的猛禽發動機，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數據，用於修改及改良後續原型艦。

詳情請參閲SpaceX第二次星艦軌道試飛任務。

S28和B10為第三組進入跨大氣層軌道並進行再入測試的星艦。S28成功進入跨大氣層軌道(TAO)並成功完成在軌低溫燃料於艦內兩燃料箱間轉移及載荷艙艙門測試，但原定的在軌發動機重啟測試因S28滾動率過高而取消，隨即將重新進入大氣層，並於印度洋進行海上硬著陸。B10則在降落時大部分發動機未能啟動而於墨西哥灣高速濺落摧毀。

此次飛行預計將測試星艦在軌加油能力[110]，將低溫燃料於艦內兩燃料箱間轉移，以驗證在軌加油的可行性、在軌測試載荷艙艙門。

詳情請參閲SpaceX第三次星艦軌道試飛任務。