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SpaceX 星艦

可重複噉使用嘅超重型運載火箭

SpaceX 星艦（英文：SpaceX Starship）係美國航太公司 SpaceX 研發嘅可完全重用兩級「超重運載火箭」。「超重運載火箭」係依家飛得起嘅最大、最強力火箭[2]。星艦嘅設計目標係完全可以重用，可以喺執行任務之後回收全部兩節，然後可以快速重複再用。

星艦
準備發射嘅星艦原型：星艦太空船 裝咗喺超重型火箭上面。
項目成本至少50億美元[1]
外型及質量參數
高度121 m（397 ft）
直徑9 m（30 ft）
質量5,000 t（11,000,000 lb）
-{zh:酬載;zh-hant:酬載;zh-hans:業載}-量
至LEO有效載荷
質量可重用: 100～150 t（220,000～331,000 lb）[convert: %s]%s
體積1,000 m3（35,000 cu ft）
相關火箭
衍生型號星艦 HLS
相似型號
發射歷史
現狀開發中
發射場SpaceX Starbase
甘迺迪太空中心、LC-39A（計畫中）
總發射次數3
成功次數1 (IFT-3)1Template:Disputed inline
失敗次數2 (IFT-1, IFT-2)
首次發射20 April 2023年， 18個月之前 (20 April 2023)
末次發射14 March 2024
第一節 – 超重型
高度71 m（233 ft）
直徑9 m（30 ft）
空重200 t（441,000 lb）
總重3,600 t（7,937,000 lb）
燃料重量3,400 t（7,496,000 lb）
引擎33個 猛禽 引擎
單引擎推力7,590 tf（74,400 kN；16,700,000 lbf）
比沖327 s（3.21 km/s） (海平面)
燃料液態氧 / 甲烷
第二節 – 星艦
高度50 m（160 ft）
直徑9 m（30 ft）
空重~100 t（220,000 lb）
總重1,300 t（2,866,000 lb）
燃料重量1,200 t（2,646,000 lb）
引擎3個 猛禽 引擎
3個 猛禽真空 引擎
單引擎推力1,500 tf（14,700 kN；3,310,000 lbf）
比沖327 s（3.21 km/s） (海平面)
380 s（3.7 km/s） (真空)
燃料液態氧 / 甲烷

SpaceX 星艦呢個計劃係喺2017年公佈，目的係要取代當時嘅獵鷹等嘅太空載具，最終目標係用嚟運人同物資上火星。

星艦運載火箭嘅目的係取代 SpaceX 嘅獵鷹 9 號同埋獵鷹重型火箭，擴展 SpaceX 嘅星鏈（Starlink）衛星群，同埋將太空人發射到近地軌道，長遠計劃係去火星。 SpaceX 嘅計畫係用星艦做加油機，為其他星艦加油，令到上到地球同步軌道，同埋執行月球、火星任務變成可行。 星艦嘅月球著陸器變種係由美國太空總署委託開發，作為「阿提米絲」（Artemis） 計畫嘅一部分，要求喺2025年開始發射嘅 Artemis  3 階段，至少兩次將太空人送上月球[3]。不過喺2024年1月，NASA證實，因為星艦嘅開發俾預期慢，所以個計畫會推遲大約一年，到2026年9月[4]。根據中央社引述日本讀賣新聞嘅報導，「阿提米絲」月球探測計畫，已經確定會喺2028年之後，俾兩個日本太空人參與登陸月球表面嘅計劃。[5]

SpaceX 星艦喺2024年3月14號喺德州博卡奇卡成功升空之後，不過喺返番嚟地球嘅途中，失去咗聯繫[6][7]。

星艦由超重助推器（Super Heavy booster）同星艦太空船（Starship spacecraft）組成。 兩節都係由猛禽發動機提供動力，猛禽發動機嘅燃料係液態甲烷同液態氧。兩節主要都係由不銹鋼製成，而唔係一系列喺之前嘅設計嗰時諗住用嘅碳纖維強化聚合物。助推器嘅設計係可以用佢自身嘅引擎嚟減速降落，降落之後會俾連接喺發射塔上面嘅一對機械手臂捉住。 而星艦太空船嘅外殼有熱保護裝置，令到隻太空船返番大氣層嘅時候，唔會燒著，受到其熱保護系統的保護，而且能夠做「腹部翻轉」（belly flop）動作，令星艦嘅方向（orientation）由水平轉為垂直，從而可以用太空船自身嘅發動機減速著陸。註：先係水平方向降落嘅原因係，星艦嘅表面積比較大，從而終端速度（terminal velocity）會比較低。

SpaceX 曾經表示，星艦系統嘅長期目標係實現低成本嘅頻繁太空發射同回收[8]。開發遵循疊代同漸進嘅方法，當中涉及原型太空船嘅試飛，呢啲試飛通常係破壞性測試（destructive testing）[9]。

完整星艦系統嘅首次飛行測試喺2023年4月20號進行咗，喺三部發動機失效嘅情況之下升空咗，然後喺發射之後嘅四分鐘之後因為失控而結束[10]，令到運載火箭被毀。星艦系統嘅第二次飛行測試喺2023年11月18號進行咗，喺升空大約2分50秒之後，實現咗兩級分離；不過分離之後無幾耐，超重型火箭助推器嘅其中幾個發動機出現故障，喺分離之後嘅大約30秒（升空之後嘅3分20秒）爆炸咗。喺發射之後大約8分鐘嘅時候，第二節（太空船嗰節）喺到達軌道之前失咗聯絡[11]。

喺2024年3月14號，第三次試飛嘅時候，星艦成功完成咗全程第二級燃燒，首次達到預定嘅軌道速度，但係喺重返大氣層嘅時候解體咗[12][13][14][15]。

詳情

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當疊埋一齊同埋入滿燃料嘅時候，星艦嘅質量大約係5,000 噸（11,000,000 磅），直徑係 9 米（30 英尺）[16]，高度係 121 m（397 英尺）[17]。 為咗降低每次發射嘅成本，所有嘅火箭都係設計成完全可以重用嘅；星艦系統係由超重（Super Heavy）第一節嘅助推器同第二節嘅星艦飛船（Starship spacecraft）組成[18]，佢哋都係由猛禽海平面（Raptor sea-level）同猛禽真空（Raptor vacuum）兩種火箭引擎提供動力[19]。 為咗降低成本同好容易整出嚟，兩級火箭嘅主體都係用不銹鋼整嘅[20]，係由不銹鋼圓筒疊埋一齊同埋焊埋一齊整成嘅[21]。 呢啲圓筒嘅直徑係 9 m（30 英尺），高度係 2 m（7 英尺），用既不銹鋼厚度係 4 mm（0.16 英吋），質量係 1,600 kg（4,000 lb）[21]。 太空船裏面嘅圓頂係兩個分開嘅壓縮氣體罐，分別用嚟裝甲烷同氧氣[21]。 SpaceX 表示，星艦嘅「基線可重用設計」（baseline reuseable design）嘅時候，低軌道（low earth orbit）嘅有效載荷能力係100-150噸（220,000-331,000磅），地球同步轉移軌道（geostationary transfer orbit）嘅有效載荷能力係27噸（60,000磅）[22][23]。（註：係R＆D，「基線設計」係指個設計已經完成圖紙同首版試驗階段）

超重助推器

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第一節助推器叫做「超重」（Super Heavy），佢高 71 米（233 英尺），直徑 9 米（30 英尺）[16]。 底部裝咗33個猛禽引擎，啲引擎排成同心圓環，中間3個排成品字形，內環10個，外環20個[24] 。最外環嗰20個引擎用（猛禽提升）「Raptor Boost」配置，呢種配置同猛禽海平面好似，不過就無咗萬向致動器（gimbal actuators），咁樣做可以減少重量同節省成本[25] 。係全功率之下，所有引擎加埋總共可以產生 74,400 kN（16,700,000 lbf）嘅推力[26]。

助推器嘅燃料箱可而裝到 3,400 噸（7,500,000 磅）嘅燃料，其中包括 2,650 噸（5,840,000 磅）嘅液態氧同埋 750 噸（1,650,000 磅）嘅液態甲烷[27]。 喺2021年，Elon Musk 話：最終設計嘅乾質量（dry mass）將會係160 噸（350,000 磅）到200 噸（440,000 磅）之間，其中油箱重量會係80 噸（180,000 磅），兩節之間嘅連接器（interstage）重量係20 噸（ 44,000 磅）。

助推器有四個電動格柵翅片（grid fins）用嚟控制，每個翅片嘅質量係 3 噸（6,600 磅）。 個助推器可以用喺格柵翅片之間嘅突出「掛點」（hardpoints）吊起。格柵翅片上面係節間排氣（vented interstage），用嚟做熱分節（hot staging）[28] ；一種火箭分節嘅方法，用咗呢種方法，上面嗰節火箭喺同第一節分離之前（而唔係之後）就可以啟動引擎。

 
安裝引擎之前嘅超重助推器底部

星艦太空船

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星艦太空船高50米（160英尺），直徑9米（30英尺）。佢用6個猛禽引擎，其中三個係針對真空環境進行咗優化嘅猛禽真空引擎（Raptor Vacuum engine，RVac引擎）[29][30]。 每嗰引擎可以產生 14,700 kN（3,300,000 lbf）嘅推力[26]。隻太空船嘅酬載艙（payload bay）高17米（56英尺），直徑8米（26 ft），內部容積係1,000立方米（35,000 立方英尺）；略為大過國際太空站加壓艙嘅體積[31]。 星艦太空船嘅主燃料箱同後備燃料箱（header tanks）總共可以貯存 1,200 噸（2,600,000 磅）嘅推進劑[32]。 Elon Musk 喺2019年話，由於位置嘅原因，喺太空船頭嘅後備箱嘅隔熱效果更好，嗰度啲燃料係喺重返大氣層做翻轉同埋著陸嘅時候用[33]。 一組反應控制推進器，利用燃料箱裏面嘅壓力嚟控制太空船喺太空嘅時候嘅姿態[34]。

 
星艦嘅內部結構圖，呢張圖無顯示襟翼。

星艦太空船有四隻襟翼，由兩隻係前襟翼同埋兩隻係後襟翼組成，用嚟控制太空船嘅方向同埋喺入返大氣層嘅時候幫手散熱[35]。 根據 SpaceX，襟翼取代咗機翼同埋水平尾翼，咁樣可以減少著陸嘅時候所需要嘅燃料[36]。  喺前襟翼下面係「掛點」，用嚟俾機械臂吊起同抓住太空船[37]。為咗唔想喺重返大氣層嘅時候整爛咗，襟翼嘅「鉸」係密封咗喺航空罩裏面。

 
工作人員喺度檢查星艦嘅隔熱罩

星艦嘅隔熱罩係由一萬八千塊六角形嘅黑色瓷磚組成[38][39]，可以承受1,400°C（2,550°F）嘅高溫[40][41]。 佢嘅設計目的係喺太空船重返大氣層嘅時候保護隻太空船，同埋喺翻用嘅時候，只需要好少嘅維護。呢啲矽基瓷磚（silica-based tiles）[42]係用定位釘嚟固定喺太空船嘅船身上面[41]，啲瓷磚同船身之間有好細嘅罅，令到佢哋喺熱脹冷縮嘅時候唔會裂。

變體

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對於衛星發射，星艦太空船會有一個大型嘅蜆殼式啡呤門（clamshell fairing door）[43]，嗰個啡呤門打開就可以好似美國宇航局嘅太空穿梭機咁將衛星或者其他載荷物釋放出去，然後喺重返大氣層嘅時候閂咗艙門，而唔係可拋棄嘅火箭啡呤（jettisonable fairing，又叫整流罩）。有效載荷會係直接整合到星艦嘅有效載荷艙中，而唔係用無塵室（cleanroom），咁樣做需要用溫度控制嘅 ISO 8 級潔淨空氣嚟淨化個有效載荷艙[43]。 為咗用嚟部署星鏈衛星，貨艙門將會換成插槽同分配器架，嗰個制度有啲似 Pez 糖果盒（Pez candy dispenser）[44]。

星艦 HLS

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星艦載人著陸系統（Human Landing System，HLS）係星艦載人月球著陸器嘅一種計劃緊嘅變體，呢個修改咗嘅星艦系統可以喺月球表面著陸、操作同起飛[45]。 一張喺2021年洩漏出嚟嘅SpaceX CGI 圖，展示咗經過修改嘅著陸腿、安裝喺機身嘅太陽能電池陣列[46]、一組安裝喺機身中間嘅推進器（呢啲推進器用嚟協助最終嘅著陸同起飛階段）[46]、兩個氣閘[45]，同埋一個用於將太空人同貨物運送到月球表面嘅電梯[47]。

星艦制度嘅計畫係啲太空船能夠透過同喺太空軌道上面單獨發射嘅星艦推進劑加油船對接嚟補充燃料，就好似戰鬥機嘅空中加油咁。 咁樣做可以令到星艦太空船去得更遠，例如地球同步軌道、月球同火星[48]。 為咗達到呢個目標，SpaceX 首先要掌握「低溫推進劑轉移」（cryogenic propellant transfer）技術，喺低軌道幫星艦太空船補充燃料[49][50]。 推進劑庫可以喺太空軌道上面儲存甲烷同氧氣，用嚟為星艦 HLS 提供燃料補充[51]。 當加滿燃料嘅時候，星艦 HLS 嘅設計係可將100噸（220,000 磅）嘅有效載荷運送到月球表面[52][53][54]。

喺2021年，Elon Musk 話一次月球登陸，需要進行「四到八」次發射[55]。同年，政府問責署（Government Accountability Office，GAO）就話 SpaceX「總共需要 16 次發射」（require 16 launches overall）[55]，而到咗 2023 年，NASA 官員估計一次登月所需嘅星艦發射次數將會係「十幾次」（in the high teens）[55]。 喺2024年，SpaceX 負責客戶營運嘅副總裁估計，發射次數將會係「10 次左右」，不過這個數字可能會有所改變[56]。據報，因為日程限制同埋低溫燃料蒸發嘅問題，呢啲發射必須「快速而連續」咁做[55]。

猛禽引擎

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針對海平面飛行進行優化嘅 Raptor 1 引擎（2020年5月嘅圖片）

猛禽引擎係 SpaceX 開發嘅火箭引擎系列，用喺星艦太空船同超重運載火箭。呢種引擎用好高效率同複雜嘅全流分級燃燒動力循環系統去燃燒液態氧同液態甲烷。 猛禽引擎用甲烷，而唔係「火水」做燃料，原因係甲烷可以提供更高嘅性能，又可以防止引擎裏面積聚「碳屎」，令到引擎又食油又無咁好力[57][58]。 甲烷亦都可以用 Sabatier 反應嘅方法，將氫氣同二氧化碳喺高溫之下（300°C－400°C）產生甲烷同水[59]。呢啲引擎設計係可以多次重複使用，而幾乎唔需要維護[60]。

猛禽引擎喺運轉嘅時候，氧氣同甲烷嘅混合比例大約係3.6:1，稍為低過完全燃燒所需要嘅化學計量混合比例4:1，原因係運行溫度太高會將引擎熔咗。推進劑離開預燃器，然後以熱氣體嘅狀態，而唔係液滴嘅形式，註入主燃燒室裏面，因為用咁樣嘅設計，推進劑可以透過擴散而快速混合，從而實現更高嘅功率密度[57]。 甲烷同氧氣喺夠高嘅溫度同壓力之下，佢哋喺接觸嘅時候就會自動點燃著火，唔需要喺主燃燒室嗰度用點火器[61]。引擎嘅結構部件本身多數係用鋁、銅、鋼做嘅；容易受到腐蝕性比較強嘅氧化焰（富氧燃燒產生嘅火焰）影響嘅氧化劑渦輪泵（turbopumps）同歧管（manifolds）由類似鉻鎳鐵合金嘅 SX500 高溫合金製成[61]。 有啲組件係用 3D 打印出嚟嘅[62]。

唔同世代猛禽引擎（海平面版本）嘅比較：

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標準猛禽引擎世代（海平面版本） 猛禽 1 猛禽 2 猛禽 3 猛禽 X
完成測試嘅年份 2020 2022 2023 未開始
主要改進嘅地方 完全重新設計 改進設計，減少零件數量
質量（Mass） 2000 kg 1600 kg 1400 kg 1200 kg
推力（Thrust） 185 tons 230 tons 269 tons 320 tons
推力重量比（TWR） 92.5 143.8 192.1 266.67
燃燒室壓力 250 bar 300 bar 350 bar 450 bar
海平面比衝量 330 327 327 327

猛禽引擎有三個版本。第一種係標準猛禽引擎，佢係設計到最適合喺海平面上操作，喺海平面上佢可以產生 2.3 MN（520,000 磅力）嘅力，比衝327秒（每秒3.21 公里），喺真空嘅時候比衝係350 秒（每秒3.4 公里）[61]。 星艦太空船嗰節用嘅係猛禽真空引擎，呢種引擎用咗「高溫焊接鋼管」整成嘅噴嘴延伸部件（brazed steel tube wall nozzle extension），咁做會將引擎嘅膨脹比提高到大約90，同埋將真空比衝提高到380秒（每秒3.7公里）[63][64]。 主燃燒室（combustion chamber）嘅操作壓力係 350 bar（5,100 psi），超過先前任何用緊嘅火箭引擎[57]。 猛禽引擎嘅萬向範圍（gimbaling range）係 15°，高過 RS-25 嘅 12.5° 同 Merlin 嘅 5°。不過星艦上嘅大多數猛禽引擎都係無萬向裝置（gimbal device）。 SpaceX 表示，佢哋嘅目標係喺量產嘅時候，實現單位生產成本唔高過 25 萬美元[61]。

批評

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人哋批評星艦飛行器嘅設計冇辦法好好保護太空人，以免佢哋喺火星任務期間受到電離輻射嘅傷害；[65][66][67][68]

馬斯克就話，佢覺得去火星嘅時間好短，唔會令患癌症嘅風險增加，佢仲話：「呢啲嘢唔使咁緊張。」[65][69][70]

據估計，多次執行火星任務會令終身患癌風險增加大約5%，不過用啲簡單嘅防護措施就可以大大降低呢個風險。[71]

參考

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  3. ↑ Harwood, William (2024-01-09). "NASA delays first Artemis astronaut flight to late 2025, moon landing to 2026 - CBS News". www.cbsnews.com (美國英文). 喺2024-03-17搵到.
  4. ↑ 聯合新聞網。〈星艦開發進度落後！NASA宣布：太空人重返月球計畫推遲到2026年〉。《聯合新聞網》 (中文)。喺2024-03-17搵到。
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  10. ↑ "SpaceX rocket explosion illustrates Elon Musk's 'successful failure' formula". CTVNews (英文). 2023-04-21. 原先內容歸檔喺27 December 2023. 喺2023-12-27搵到.
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  66. ↑ SpaceX靜雞雞同NASA同其他太空專家計劃緊火星登陸任務。呢個時機啱啱好。 互聯網檔案館嘅歸檔，歸檔日期2019年3月6號，. Dave Mosher撰文，載於《商業內幕》。2018年8月11日。引述：「Porterfield話SpaceX仲要諗辦法解決點樣喺太空保持人體健康嘅問題」。
  67. ↑ 馬斯克未來嘅星艦匯報應該講多啲關於人類健康同生存嘅細節。 互聯網檔案館嘅歸檔，歸檔日期2019年10月8號，. Loren Grush撰文，載於《The Verge》。2019年10月4日，
  68. ↑ 馬斯克嘅星艦可能唔係太空探索嘅突破，反而係道德災難。 互聯網檔案館嘅歸檔，歸檔日期2019年12月27號，. Samantha Rolfe，赫特福德大學，載於《對話》。2019年10月2日。引述：「要太空人承受可能會令佢哋嚴重損害健康，甚至即刻死亡嘅危險輻射水平，我覺得唔公平亦都唔道德」。
  69. ↑ 第一批火星移民可能會受到比政府限制高八倍嘅輻射。 互聯網檔案館嘅歸檔，歸檔日期2019年8月10號，. Skye Gould同Dave Mosher撰文，載於《商業內幕》。引述：「喺我哋嘅飛行時間入面，周圍嘅輻射損害唔算嚴重」- 馬斯克。
  70. ↑ SpaceX馬斯克解釋佢嘅大火箭點樣由細步跳到大躍進。 互聯網檔案館嘅歸檔，歸檔日期2019年10月10號，. Alan Boyle撰文，載於《Geek Wire》。2019年10月14日。引述：「馬斯克回應話：『喺我哋嘅飛行時間入面，周圍嘅輻射損害唔算嚴重。淨係需要太陽風暴避難所，咁只係船上一個細部分。』」
  71. ↑ December 2013, Mike Wall 09。〈好奇號探測器顯示火星嘅輻射水平「可以應付」載人任務〉。Space.com (英文)。原著喺2020-12-15歸檔。喺2020-12-10搵到。 {{cite web}}: Unknown parameter |dead-url= ignored (|url-status= suggested) (help)
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