出品：科普中国
作者：川陀太空（科普创作者）
监制：中国科普博览
北京时间2024年10月13日晚，SpaceX的星舰完成第五次试飞。
这不是第一次试飞，也不是第一次成功，为什么还是获得了广泛的关注？
一方面当然是SpaceX自身的流量体质，但更重要的是，这是首次回收可重复使用的助推器。
星舰是两级完全可重复使用的超重型运载火箭，由超重型助推器和飞船部分组成。根据SpaceX的设想，试图将这两个部分都回收并重复使用，在运载能力方面，可将100至150吨的载荷送入近地轨道。第五次试飞是首次对超重型助推器进行回收，SpaceX设计了一个类似筷子夹取的回收系统，当超重型助推器精确返回后，由两个机械臂在半空中将其抓住，飞船部分则溅落到印度洋。
图1：代号B12的星舰超重助推器返回
（图片来源：SpaceX）
2021年，编号为SN15的飞船部分已完成垂直起飞和降落测试，所以到目前为止，超重型助推器和飞船部分都已经单独完成垂直降落。
在本次试飞中，虽然助推器成功完成了回收，但星舰的飞船部分再入大气层时，高温等离子体侵入翼面转轴处，出现局部烧穿。所以不能算是一起完成了回收。
因此，对SpaceX而言，下一步则是让星舰发射后，超重型助推器和飞船部分都能在星舰基地完成软着陆。
图2：编号为SN15的飞船部分在发射后返回地面
（图片来源：SpaceX）
星舰与回收系统发展到什么程度了？
“大力出奇迹”，星舰在加满燃料的情况下，起飞重量大约5000吨，使用33台猛禽发动机，比阿波罗登月任务使用的土星五号还要庞大。
图3：星舰超重助推器使用33台猛禽发动机
（图片来源：SpaceX）
根据SpaceX的设想，星舰的主要用途是将人类送往火星，依托其强大的运载能力和重复使用能力，在火星上建造定居点。为了满足行星际运输的要求，星舰的飞船部分内部体积设计得很大，有效载荷舱的高度为17米左右，直径为8米，容积达到了1000立方米，比国际空间站的加压区容积还要大，能够多装多运。
星舰在发射后，超重型助推器返回发射工位，飞船部分则进入太空，除了部署卫星和行星际运输外，还能够在地外天体上着陆。为此，SpaceX还专门为飞船部分设计了着陆装置，推出登陆地外天体的星舰版本，可在月球表面、火星表面着陆、起飞。
从中可以看出，可重复使用要求下的垂直软着陆模式，在地外天体表面就形成了先天优势，能够在火星、月球上自主垂直降落。这与我们传统观念中对返回舱、轨道舱的认识有较大的不同。
从阿波罗登月开始，在月球等天体上着陆，航天器大致由轨道舱和着陆舱两个部分，轨道舱负责空间飞行，着陆舱负责登陆，两者是分开的。比如阿波罗11号的指令舱在月球轨道上运行，鹰号登月舱负责登月。欧洲空间局登陆格拉希门克彗星的罗塞塔号探测器也是如此，登陆舱在彗星表面实施软着陆，轨道舱则继续环绕运行。
星舰飞船则是一个整体，集成了再入大气层返回、软着陆、轨道运行等多种任务角色，并不存在轨道舱和着陆舱等可分离的组件，即便在地外天体上软着陆，也是以整体的形式。
图4：阿波罗登月的多舱模式与星舰整体式软着陆对比
（图片来源：SpaceX、NASA）
本次星舰第五次试飞，重点在回收超重型助推器。
由于超重型助推器的重量太大，内装33台猛禽发动机，返回质量达到200多吨，所以SpaceX提出了集成塔回收方案，并非猎鹰9号所使用的着陆腿支撑。集成塔回收是一种全新的火箭回收方式，特点在于能够回收返回质量较大的助推器。目前已有的发射台称为OLP-A，正在建造的发射台为OLP-B，每座发射台均配备发射架和集成塔，发射架的作用是在发射时为火箭箭体提供支撑，集成塔可辅助固定箭体。
集成塔的主要结构是两个巨大的“筷子臂”，在发射之前，可协助星舰垂直安装，当星舰发射后，集成塔转变角色，变成回收装置。使用“筷子臂”回收，可减少超重助推器的磨损，缩短助推器翻新周期。
图5：集成塔的主要结构是两个巨大的“筷子臂”
（图片来源：SpaceX）
星舰对登月计划的影响
由于星舰运载系统不断成熟，直接影响到了美国宇航局的载人登月计划。
SpaceX与NASA签订了载人着陆系统的建造合同，为阿尔忒弥斯三号和四号任务提供着陆系统。可以认为，星舰已经作为阿尔忒弥斯计划的一部分，参与到重返月球任务中。
2019年，美国宇航局提出阿尔忒弥斯计划，试图在2024年载人登月。随着时间的推移，美国宇航局发现2024年无法达到登月条件，将时间推迟到2026年9月之后。
星舰任务的进展对阿尔忒弥斯计划起到了推动作用，美国载人航天出现了重大变革。原先由猎户座飞船和太空发射系统组成的运载体系，开始被打破并升级，加入了星舰的存在。
在星舰出现之前，美国登月计划主要策略是复制阿波罗登月的硬件，由洛马公司建造登月舱，将宇航员送上月球表面。随着星舰项目的推进，可以说，美国宇航局的登月任务已经押宝星舰。根据阿尔忒弥斯三号的规划，由猎户座飞船将4名宇航员送入轨道与星舰对接，两名宇航员乘坐星舰登月，还有两名宇航员留在猎户座飞船上。
不过，目前用于登月的猎户座飞船状态不佳，年初时被发现飞船上的生命支持系统阀门出现故障，阿尔忒弥斯计划能否按时实施，目前看是个巨大的问题。
图6：猎户座载人飞船生命支持系统的阀门被发现故障
（图片来源：NASA）
本次星舰第五次试飞，完成了超重助推器的回收，显然这个里程碑对于阿尔忒弥斯计划而言，是个利好消息。但是，阿尔忒弥斯计划仍然存在更多的不确定性，比如星舰需要安装着陆腿、猎户座飞船能否承担载人转移的重任，都可能导致阿尔忒弥斯计划被进一步推迟。
这也就不难理解，美国宇航局为何在2023年8月宣布，将原定载人登月的阿尔忒弥斯三号任务，更改为绕月任务。这足以看出美国在载人登月整体进度方面，仍然处于较为混乱的状态，猎户座飞船整体性能仍然不够稳定，星舰目前还处于迭代试飞中，原定的2026年9月左右的登月时间极有可能被进一步推迟。
图7：洛克希德马丁公司公布的登月舱设想
（图片来源：NASA）
换个角度看，美国传统的航天企业，比如波音、洛马，在阿尔忒弥斯计划中并没有展现出中流砥柱的作用，猎户座飞船甚至出现隔热罩丢失碳层碎片的离奇失误，由波音、诺格等研发的太空发射系统（SLS运载火箭）除了因技术问题多次推迟外，还面临发射成本严重超支的问题。白宫预算办公室给出的评估文件称，SLS火箭每次发射成本超过20亿美元，波音公司仍然未找到降低发射成本的有效方法。星舰在短时间内达到多个试飞里程碑，反倒是给阿尔忒弥斯计划注入了一些可能性。
星舰真的能带我们前往火星吗？
星舰之所以在设计上突出超强的运载能力，主要是因为其任务目的所致。它的目标是将人类送往火星。
按照SpaceX的说法，要在2050年之前将100万人送上火星，建立一个火星城市。按照这个目标计算，需要建造1000艘星舰飞船，以每26个月一次的发射窗口向火星运输人员和物资。
至少在目前看来，这个计划仍然有些超出我们的想象。毕竟当前状态的星舰也仅仅完成了第一次超重助推器的回收。即便解决了星舰的问题，前往火星仍然存在较大的难度。
图8：SpaceX的星舰登月想象图，登月型号的星舰需要安装着陆腿
（图片来源：SpaceX）
第一、心理问题。
从地球飞往火星，需要半年左右的时间，人类长时间在封闭空间中生活，可能出现普遍性的心理问题，导致情绪训练也是太空飞行任务的关键。
第二、身体问题。
研究发现，微重力环境可能损害细胞结构、导致免疫紊乱、影响中枢神经系统和骨骼组织等，甚至增加致癌风险，可能产生空间适应综合症，对人体构成深远的影响。移民火星的人员还面临昼夜节律改变、睡眠障碍等问题困扰。此外，长时间在地球与火星之间进行空间飞行，以及在火星表面生活，还需要考虑到空间辐射的问题。美国宇航局的相关研究指出，登陆火星的宇航员受到的平均辐射是国际空间站的3倍以上，是地球表面的200多倍。
图9：SpaceX设想中的火星城市
（图片来源：SpaceX）
第三、改造火星的问题。
SpaceX在2024年提出建造火星城市的设想，马斯克认为就地取材是建立火星城市的关键，预计在未来7到9年内开始这个领域的研究。所谓的就地取材，就是利用火星上现有的物质，包括使用火星大气中的氮气和微量的氧气进行生产活动。但是要维持一个百万人口的城市，目前SpaceX也没有比较可行的方案，更不用说火星城市还能面临的社会问题等。
客观来说，本次星舰完成第五次试飞，对星舰项目而言，是个巨大的里程碑。但从SpaceX建造火星城市的角度看，目前还仍然处于起步阶段，后续还需要攻克一系列目前看似无解的难题。
参考文献：
[1] 太空探索对宇航员心理健康的负担：叙述性评论
[2] Wikipedia：SpaceX星际飞船
[3] “Mechazilla”是什么？在半空中接住巨大星际飞船火箭的巨臂
[4] 星际飞船面临月球任务性能不足的问题
[5] 太空辐射对中枢神经系统的风
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