本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷，题图来自：视觉中国

美国太空探索技术公司（SpaceX）正在研制的、完全可重复使用的星舰（Starship）和超重（Super Heavy）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。星舰（Starship）和超重（Super Heavy）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。该系统最早于2012年曝光，并于2016年正式公开，历经数年迭代，终于在2021年基本定型。

最初，该系统称为“火星殖民运输器”（MCT），后改称“星际运输系统”（ITS），中途又有代号“BFR”（推断为“大猎鹰火箭”），最后定名为“星舰”（Starship）。该系统演变图如下，但不包括未公布细节的MCT概念。该系统设计从最初的大改，到最近的小改，在指标和技术之间逐步平衡，使概念逐步走向现实，其研发理念与设计迭代值得复盘研究。

星舰（Starship）设计不完全演变（图源：Kimi Talvitie）

火星殖民运输器（MCT）

2012年11月16日，SpaceX首席执行官马斯克在英国皇家航空学会演讲时首次公开陈述了其火星殖民架构，在随后的采访中暗示了MCT的存在，同时还首次确认用于火星殖民的火箭系统采用猛禽（Raptor）液氧甲烷发动机。

2013年6月6日，马斯克首次公开确认MCT是“火星殖民运输器”（Mars Colonial Transporter）的缩写。

在2015年1月2日公开的报道中，马斯克在疑似2014年4月的采访中表示，MCT推力可达1500万磅（约6804t）。

2015年1月5日，马斯克表示，MCT计划从扩大猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭规模转变为单一助推器（芯级），MCT计划拥有更高的比冲发动机——380s（海平面）、345s（真空），而每台发动机的推力略高于230公吨（~500klbf），并在不断优化。

2016年9月16日，马斯克表示，事实证明MCT可以远远超出（飞向）火星（的能力），因此需要一个新名称……

星际运输系统（ITS）

2016年9月27日，马斯克在第67届国际宇航大会（IAC 2016）上公布了太空任务架构、火箭助推器、飞船和为飞行器提供动力的猛禽发动机的细节。

马思克指出实现火星任务的四大要素：

全复用（航天器）

在轨加注（燃料）

火星上推进剂生产

正确的推进剂（选择）

其中在轨加注方面，如果不采用在轨加注就要造一枚三级火箭，意味着5~10倍的大小和造价，而将所需推力能力（注：指推进剂）分批次运输会大幅降低研发成本、缩短时间表;结合可复用性，在轨加注使（系统）性能不足成为增量，而不是指数级的成本增加。

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火星飞行器的部分组件配置数量均为3，包括火箭助推器内置伸缩式着陆腿、栅格翼、尾翼，以及飞船内置伸缩式着陆腿。此外，（载人版）飞船在与油轮版飞船在轨并排完成推进剂加注后即刻前往火星，途中部署一对超大型太阳翼（太阳能电池板），功率可达200kW。

2016年9月公布的ITS航天器设计剖面图

ITS太空架构，即载人火星登陆任务架构，如下图所示，其中ITS助推器计划复用1000次，油轮版飞船计划复用100次，（载人版）飞船计划复用12次。需要注意的是，只有从地球表面前往火星需要用火箭助推器把飞船送入低地球轨道（LEO）并在轨加注推进剂，而从火星表面返回地球仅使用飞船即可。

2016年9月公布的ITS火星任务架构

飞行器设计与性能方面，首先是碳纤维主结构、增稠的液氧甲烷推进剂、自生增压，且LEO运力远超美国土星五号运载火箭的135t，达到550t。两型火箭主要参数指标对比如下表所示。

图表：火星飞行器与土星五号主要参数指标对比

资料来源：SpaceX

其次，火星飞行器采用一款SpaceX自研的液氧甲烷发动机——猛禽发动机，分为海平面（SL）、真空型两个版本，具体设计参数指标如下表所示。

图表：2016年9月公布的猛禽发动机参数指标

资料来源：SpaceX

2016年9月27日公布的猛禽发动机概念图

火星飞行器分为两级，其中一级为火箭助推器（Rocket Booster），二级为星际飞船（Interplanetary Spaceship），具体参数配置如下表：

图表：2016年9月公布的火星飞行器两级配置

资料来源：SpaceX

火箭助推器任务流程大致如下：

火箭助推器将飞船加速到分级速度，分离时速度为8650km/h（5375mph）。

火箭助推器返回着陆点，使用其推进剂总质量的7%用于其返回和着陆。

栅格翼引导火箭助推器穿过大气层后精确着陆。

2016年9月公布的火箭助推器（左）概念图、飞船（右）设计剖面图（未按比例缩放）

火箭助推器发动机布置为外圈21台、内圈14台、中央7台（1+6），外层发动机固定在原位，只有中心的发动机为集群框架（cluster gimbals）。

2016年9月公布的火箭助推器发动机配置图

火星和地球抵达主要涉及以下几个方面：

飞船从星际空间进入大气层，要么捕获后入轨，要么直接着陆;空气动力提供了大部分的减速，然后3台中心的猛禽发动机执行最后的着陆点火。

利用其气动升力能力和先进的隔热材料，飞船可以从火星上超过8.5km/s、从地球上超过12.5km/s的再入速度开始减速。

再入期间，过载（以地球为参考）在火星上约为4~6g、在地球上约为2~3g。

2016年9月27日公布的ITS星际飞船再入仿真示意图

隔热是在SpaceX龙系列飞船上使用的PICA（酚醛浸渍碳烧蚀材料）系列隔热材料的能力范围内;PICA 3.0对二代龙飞船/载人龙飞船的改进，增强了SpaceX只需要很少维护即可多次使用隔热罩的能力。

由于采用全复用硬件，该整体架构使得前往火星的成本显著降低。

图表：火星载人任务成本预估分析

（注：推进剂成本168美元/t，推进剂总成本6200万美元;发射场费用20万美元/次;货运450t;贴现率5%）资料来源：SpaceX

综上，去火星的成本