星舰与猎鹰9号:深度解析SpaceX火箭系统

我的AE86

原文：https://orbitaltoday.com/2024/06/10/starship-vs-falcon-9-spacex-spacecraft-comparison/上世纪中叶，人类迈入太空时代，但这种加速度仅持续了三十年。随着冷战的结束，太空竞赛也宣告终结，各大国政府不再将巨额预算投入太空产业，而我们征服太阳系的雄心也大大减弱。
直到21世纪初，私人亿万富翁的热情介入，才让太空探索领域焕发了第二春。如今，私营航天公司已成为太空探索的主导力量，而SpaceX则被视为引领潮流的先锋。在本文中，我们将对比星舰与猎鹰9号，探讨这两款SpaceX飞船是否真的如大众所认为的那样，是当今最先进的航天器。
星舰与猎鹰9号有何不同？

图：猎鹰9号剖析

图：星舰剖析两种飞船都属于重型运载火箭，但星舰（Starship，SN）是一种更复杂的运输系统，包括助推器和可重复使用的多功能飞船。它不仅能够将宇航员和货物送入近地轨道，还可以前往月球、火星并返回。而猎鹰9号（Falcon 9，F9）的设计主要是将卫星、载人飞船和货运飞船送入轨道，并将有效载荷送上月球转移轨道。
星舰是否使用猎鹰9号？
原则上，答案是否定的。从技术上讲，这两者是完全不同的系统。尽管猎鹰9号（F9）有猎鹰重型（Falcon Heavy）的扩展版本，但它不应与星舰超级重型（Starship Superheavy）的一级火箭混为一谈。猎鹰重型是一种基于猎鹰9号一级火箭改造而来的超重型火箭，通过增加两个固体助推器来产生更大的推力并携带更多的有效载荷。而超级重型（Superheavy）没有侧助推器，并且采用了完全不同的发动机。

需要注意的是，星舰的发展受益于猎鹰9号运行过程中积累的经验和技术进步。例如，可重复使用的设计理念是星舰的核心，而这一概念最早应用于猎鹰9号项目。因此，尽管星舰并非字面意义上“使用”猎鹰9号，但它是建立在猎鹰9号成功与失败所奠定的技术基础之上的。

猎鹰9号 VS 猎鹰重型 VS 星舰对比表

规格	猎鹰9号	猎鹰重型	星舰
高度	70米 / 230英尺	70米 / 230英尺	121米 / 397英尺
宽度	3.7米 / 12英尺	12.2米 / 40英尺	9米 / 29.5英尺
起始质量	549,054千克 / 1,207,920磅	1,420,788千克 / 3,125,735磅	6,000,000千克 / 13,227,735磅
级数	2级	2级 + 2个侧助推器	2级
近地轨道有效载荷	22,800千克 / 50,265磅	63,800千克 / 140,660磅	100,000 – 250,000千克 / 220,462 – 551,155磅
地球同步转移轨道有效载荷	8,300千克 / 18,300磅	26,700千克 / 58,860磅	150,000千克 / 330,693磅
火星有效载荷，月球转移轨道	4,020千克 / 8,860磅	16,800千克 / 37,040磅	150,000千克 / 330,693磅
发动机	1级 – Merlin x 9，2级 – Merlin Vacuum x 1	侧助推器 – Merlin x 18，1级 – Merlin x 9，2级 – Merlin Vacuum x 1	1级 – Raptor-3 x 33，2级 – Raptor Vacuum x 6
燃料	RP1/LOX	RP1/LOX	甲烷/LOX
可重复使用性	1级	1级 + 侧助推器	完全可重复使用
单次发射成本	6200万美元	9700万美元	200万 – 2000万美元

是什么让SpaceX星舰如此特别？
星舰是独一无二的。地球上从未有人打造过如此雄心勃勃的火箭，如果埃隆·马斯克成功完成这一项目，人类将获得未来的太空运输系统。但让我们按顺序来讨论这些。

超大尺寸
SpaceX星舰是最大的火箭吗？是的，它的高度为120米，比著名的土星五号高出整整十米。想象一下35层楼的高度，这就是SN的高度。此外，在阅读我们的《星舰与土星五号对比》文章后，你将了解到，埃隆·马斯克的火箭飞机在几乎所有方面都优于月球火箭。但为了给土星五号留点余地，我们还是要承认，它是在50年前建造的，并且只有一个目标——将阿波罗飞船送上月球。
多功能性

图：星舰改装。图片来源：everydayastronaut.comSpaceX星舰与猎鹰9号提供了五种二级火箭改装版本：载人、货运、油罐、月球着陆器和深空飞船。根据用途，火箭可以容纳多达100名宇航员，并配备完整的舱室以支持长途旅行，承载最多250吨的有效载荷和50吨的回程有效载荷，包括燃料；它还可以作为现代版的阿波罗飞船，进行月球表面的着陆和起飞；此外，它还可以执行星际飞行，前往目的地并返回！
完全可重复使用

图：星舰回收

完全可重复使用
超级重型助推器和星舰的二级火箭都可以重复使用，这对于降低发射成本以及进行星际旅行尤其重要。星舰的独特之处在于其能够回收二级火箭，这在技术上是非常困难的。二级火箭在重新进入大气层时的速度约为一级火箭的四倍，这意味着它需要承受64倍的热量。这也是恢复二级火箭如此困难的原因。星舰二级火箭的重新进入技术是通过减速来实现的。然而，单纯依靠发动机减速是不合理的，因为发动机减速所需的能量与上升所需的能量相同，这意味着二级火箭的尺寸必须与一级火箭一样大。为此，星舰工程师找到了另一种解决方案。

二级火箭将以腹部优先的姿态进入大气层。大型空气刹车“埃隆龙翼”（Elonerones）将帮助实现这一目标。它们通过调节阻力来控制俯仰、偏航和滚转。而SpaceX开发的30X不锈钢外壳将帮助应对空气摩擦带来的破坏性力量。

甲烷
这一运输系统使用甲烷作为燃料成分之一，甲烷在火星上丰富且理论上可以在火星上开采，因此无需携带燃料。这使得星舰的有效载荷增至150吨。也就是说，星舰将能够将货物和人员运送到月球和火星并返回，同时不依赖地球上的燃料供应。

甲烷相比液氢的明显优势在于，甲烷具有较高的比冲，这意味着更高的燃料效率和每单位燃料消耗所产生的更大推力，而且与氢气相比，甲烷的密度更高，这使得可以使用更小的燃料箱。甲烷比液氢更稳定，且可以在更为温和的温度下储存，这使得其储存和运输更加容易。

所有这些特点使得星舰与猎鹰9号成为未来的太空运输工具，在接下来的几年甚至几十年里，都将没有对手。然而，值得记住的是，这一独特的发展背后是SpaceX工程师、技术人员和科学家们近20年的辛勤工作，而他们的项目仍在推进中。

猎鹰9号的独特之处是什么？
虽然星舰（SN）仍处于演变的初期阶段，但猎鹰9号（F9）已经经历了漫长的试验与错误过程，并且已经稳定使用了多年。猎鹰1号火箭的第一版在2006年创建，经过四次尝试后，才在两年后的首次成功发射。猎鹰9号的最新版本Block 5自2018年起开始使用。让我们看看它究竟有什么特别之处。

超低温推进剂
2015年，SpaceX发布了猎鹰9号的首个“全推力”版本，开始比其他任何火箭制造商都更加冷却燃料组件。液氧（LOX）被冷却到−183°C至−207°C，RP-1燃料则从21°C降至−7°C，这使得氧化剂和燃料的密度分别提高了8-15%和2.5%。组件密度的增加使得燃料箱能容纳更多的燃料，这与增加的发动机推力一起，显著提升了火箭的性能。

国际空间站和星链任务支持
猎鹰9号是星链（Starlink）和载人任务前往国际空间站（ISS）的主要服务火箭。其有效载荷质量使其能够在一次任务中将最多60颗星链卫星送入近地轨道（LEO），以创纪录的速度补充卫星星座。

自2020年以来，猎鹰9号Block 5与SpaceX的载人龙（Crew Dragon）和货运龙（Cargo Dragon）飞船配对，成功地接管了俄罗斯联盟号（Soyuz）飞船的任务，负责向国际空间站运送宇航员和补给。2022年4月，猎鹰9号成为首个将游客送往国际空间站的商业火箭，执行了Axiom Space的AX-1任务。

极高的可靠性
自2010年6月首次发射以来，截至2024年5月初，猎鹰9号已经发射了330次。其中，327次发射完全成功，2次发射失败，1次部分成功。成功的任务已经连续完成了300次。成功率：99.2%。没有任何一种火箭能与猎鹰9号在发射次数上相比拟。虽然历史上确实有一些火箭没有发生过一次失败，但它们在发射次数上远不及猎鹰9号。

星舰会取代猎鹰9号吗？
毫无疑问，猎鹰9号凭借其出色的表现，理所当然地位居最受欢迎的火箭之首，但当星舰进入太空舞台时，它还能保持这一领先地位吗？让我们根据它们的关键特点来比较一下星舰与猎鹰9号的可能性。

星舰与猎鹰9号有效载荷对比

图：星舰与猎鹰9号有效载荷体积对比。图片来源：everydayastronaut.com

猎鹰9号可以将22,800公斤有效载荷送入近地轨道（LEO），如果重复使用，如星链任务中的情况，则为15,600公斤。它可以将8,300公斤送入地球静止转移轨道（GTO），如果重复使用则为约7,000公斤，并且可以将约4吨有效载荷送往火星，但这一点尚不确定。

然而，星舰应能在一次使用时将最多250,000公斤有效载荷送入近地轨道，在重复使用时则能将150吨有效载荷送入近地轨道和GTO……此外，如果像预期的那样在轨道上进行加油，它应该能够将同样的150吨有效载荷送往月球，甚至是火星！

星舰的另一个显著优势是其巨大的有效载荷舱。猎鹰9号和猎鹰重型共享相同的整流罩，直径约为5米，高度为13.3米，总有效体积为200立方米。而星舰的有效载荷舱直径为9米，高度为22米，体积约为1,000立方米。换句话说，星舰与猎鹰9号相比，就像太空中的五星级酒店。当然，这不是《星际迷航》中的企业号星舰，但也差不多。
因此，星舰在这一点上领先。

星舰与猎鹰9号推力重量比
推力重量比意味着发动机产生的推力能超过自身重量多少倍。在这一点上，猎鹰9号的梅林发动机几乎是星舰的Raptor发动机的40倍。梅林发动机的推力重量比约为185:1，而Raptor发动机当前的推力重量比约为143:1。埃隆·马斯克希望增加Raptor发动机的推力，这是必要的条件；否则，宣称的有效载荷性能将不得不降低。但梅林发动机很难被超越，因为它具有任何液体火箭发动机中最高的推力重量比。因此，双方的得分平衡为1比1。

星舰与猎鹰9号每次发射成本
猎鹰9号的发射成本为6,200万美元（一次使用）和约5,000万美元（重复使用）。星舰凭借能够将比猎鹰9号重十倍的货物送入轨道的能力，预计其发射成本将降至前所未有的200万-2,000万美元之间，具体取决于任务目的和二级火箭的改装。由于其完全可重复使用，星舰发射的主要成本将仅限于燃料和人员工资。

因此，从长远来看，星舰的发射成本甚至可能低于Rocket Lab的最便宜的电子火箭。这使得星舰成为进入轨道的最具成本效益的选择。但究竟如何，只有时间能证明。

然而，这就是星舰的第二个胜利点。

质疑者怎么说？
“这颗火箭不可能连续三次发射成功，”他们曾经这样说猎鹰1号。后来，他们不相信猎鹰9号能成功着陆，接着不相信它会成为世界上最可靠、发射次数最多的火箭。今天，他们不相信星舰，并在每次失败的测试后嘲笑。但他们再次在预测上错了。

SpaceX已经多次证明了它能做出极其复杂且前所未有的事情。他们雄心勃勃的承诺可能没有按时兑现，但它们最终会兑现，而这才是最重要的。这意味着我们将有一天看到星舰的实际表现，而这一首秀将使得猎鹰9号与星舰相比显得过时，就像其他所有发射工具一样。这不可避免地会发生，这将是一个新的太空飞行时代的开始。