北京時(shí)間2024年10月13日晚，SpaceX的星艦完成第五次試飛。

這不是第一次試飛，也不是第一次成功，為什么還是獲得了廣泛的關(guān)注？

一方面當(dāng)然是SpaceX自身的流量體質(zhì)，但更重要的是，這是首次回收可重復(fù)使用的助推器。

星艦是兩級(jí)完全可重復(fù)使用的超重型運(yùn)載火箭，由超重型助推器和飛船部分組成。根據(jù)SpaceX的設(shè)想，試圖將這兩個(gè)部分都回收并重復(fù)使用，在運(yùn)載能力方面，可將100至150噸的載荷送入近地軌道。第五次試飛是首次對(duì)超重型助推器進(jìn)行回收，SpaceX設(shè)計(jì)了一個(gè)類似筷子夾取的回收系統(tǒng)，當(dāng)超重型助推器精確返回后，由兩個(gè)機(jī)械臂在半空中將其抓住，飛船部分則濺落到印度洋。

圖1：代號(hào)B12的星艦超重助推器返回

（圖片來(lái)源：SpaceX）

2021年，編號(hào)為SN15的飛船部分已完成垂直起飛和降落測(cè)試，所以到目前為止，超重型助推器和飛船部分都已經(jīng)單獨(dú)完成垂直降落。

在本次試飛中，雖然助推器成功完成了回收，但星艦的飛船部分再入大氣層時(shí)，高溫等離子體侵入翼面轉(zhuǎn)軸處，出現(xiàn)局部燒穿。所以不能算是一起完成了回收。

因此，對(duì)SpaceX而言，下一步則是讓星艦發(fā)射后，超重型助推器和飛船部分都能在星艦基地完成軟著陸。

圖2：編號(hào)為SN15的飛船部分在發(fā)射后返回地面

（圖片來(lái)源：SpaceX）

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星艦與回收系統(tǒng)發(fā)展到什么程度了？

“大力出奇跡”，星艦在加滿燃料的情況下，起飛重量大約5000噸，使用33臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，比阿波羅登月任務(wù)使用的土星五號(hào)還要龐大。

圖3：星艦超重助推器使用33臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)

（圖片來(lái)源：SpaceX）

根據(jù)SpaceX的設(shè)想，星艦的主要用途是將人類送往火星，依托其強(qiáng)大的運(yùn)載能力和重復(fù)使用能力，在火星上建造定居點(diǎn)。為了滿足行星際運(yùn)輸?shù)囊螅桥灥娘w船部分內(nèi)部體積設(shè)計(jì)得很大，有效載荷艙的高度為17米左右，直徑為8米，容積達(dá)到了1000立方米，比國(guó)際空間站的加壓區(qū)容積還要大，能夠多裝多運(yùn)。

星艦在發(fā)射后，超重型助推器返回發(fā)射工位，飛船部分則進(jìn)入太空，除了部署衛(wèi)星和行星際運(yùn)輸外，還能夠在地外天體上著陸。為此，SpaceX還專門為飛船部分設(shè)計(jì)了著陸裝置，推出登陸地外天體的星艦版本，可在月球表面、火星表面著陸、起飛。

從中可以看出，可重復(fù)使用要求下的垂直軟著陸模式，在地外天體表面就形成了先天優(yōu)勢(shì)，能夠在火星、月球上自主垂直降落。這與我們傳統(tǒng)觀念中對(duì)返回艙、軌道艙的認(rèn)識(shí)有較大的不同。

從阿波羅登月開(kāi)始，在月球等天體上著陸，航天器大致由軌道艙和著陸艙兩個(gè)部分，軌道艙負(fù)責(zé)空間飛行，著陸艙負(fù)責(zé)登陸，兩者是分開(kāi)的。比如阿波羅11號(hào)的指令艙在月球軌道上運(yùn)行，鷹號(hào)登月艙負(fù)責(zé)登月。歐洲空間局登陸格拉希門克彗星的羅塞塔號(hào)探測(cè)器也是如此，登陸艙在彗星表面實(shí)施軟著陸，軌道艙則繼續(xù)環(huán)繞運(yùn)行。

星艦飛船則是一個(gè)整體，集成了再入大氣層返回、軟著陸、軌道運(yùn)行等多種任務(wù)角色，并不存在軌道艙和著陸艙等可分離的組件，即便在地外天體上軟著陸，也是以整體的形式。

圖4：阿波羅登月的多艙模式與星艦整體式軟著陸對(duì)比

（圖片來(lái)源：SpaceX、NASA）

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本次星艦第五次試飛，重點(diǎn)在回收超重型助推器。

由于超重型助推器的重量太大，內(nèi)裝33臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，返回質(zhì)量達(dá)到200多噸，所以SpaceX提出了集成塔回收方案，并非獵鷹9號(hào)所使用的著陸腿支撐。集成塔回收是一種全新的火箭回收方式，特點(diǎn)在于能夠回收返回質(zhì)量較大的助推器。目前已有的發(fā)射臺(tái)稱為OLP-A，正在建造的發(fā)射臺(tái)為OLP-B，每座發(fā)射臺(tái)均配備發(fā)射架和集成塔，發(fā)射架的作用是在發(fā)射時(shí)為火箭箭體提供支撐，集成塔可輔助固定箭體。

集成塔的主要結(jié)構(gòu)是兩個(gè)巨大的“筷子臂”，在發(fā)射之前，可協(xié)助星艦垂直安裝，當(dāng)星艦發(fā)射后，集成塔轉(zhuǎn)變角色，變成回收裝置。使用“筷子臂”回收，可減少超重助推器的磨損，縮短助推器翻新周期。

圖5：集成塔的主要結(jié)構(gòu)是兩個(gè)巨大的“筷子臂”

（圖片來(lái)源：SpaceX）

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星艦對(duì)登月計(jì)劃的影響

由于星艦運(yùn)載系統(tǒng)不斷成熟，直接影響到了美國(guó)宇航局的載人登月計(jì)劃。

SpaceX與NASA簽訂了載人著陸系統(tǒng)的建造合同，為阿爾忒彌斯三號(hào)和四號(hào)任務(wù)提供著陸系統(tǒng)。可以認(rèn)為，星艦已經(jīng)作為阿爾忒彌斯計(jì)劃的一部分，參與到重返月球任務(wù)中。

2019年，美國(guó)宇航局提出阿爾忒彌斯計(jì)劃，試圖在2024年載人登月。隨著時(shí)間的推移，美國(guó)宇航局發(fā)現(xiàn)2024年無(wú)法達(dá)到登月條件，將時(shí)間推遲到2026年9月之后。

星艦任務(wù)的進(jìn)展對(duì)阿爾忒彌斯計(jì)劃起到了推動(dòng)作用，美國(guó)載人航天出現(xiàn)了重大變革。原先由獵戶座飛船和太空發(fā)射系統(tǒng)組成的運(yùn)載體系，開(kāi)始被打破并升級(jí)，加入了星艦的存在。

在星艦出現(xiàn)之前，美國(guó)登月計(jì)劃主要策略是復(fù)制阿波羅登月的硬件，由洛馬公司建造登月艙，將宇航員送上月球表面。隨著星艦項(xiàng)目的推進(jìn)，可以說(shuō)，美國(guó)宇航局的登月任務(wù)已經(jīng)押寶星艦。根據(jù)阿爾忒彌斯三號(hào)的規(guī)劃，由獵戶座飛船將4名宇航員送入軌道與星艦對(duì)接，兩名宇航員乘坐星艦登月，還有兩名宇航員留在獵戶座飛船上。

不過(guò)，目前用于登月的獵戶座飛船狀態(tài)不佳，年初時(shí)被發(fā)現(xiàn)飛船上的生命支持系統(tǒng)閥門出現(xiàn)故障，阿爾忒彌斯計(jì)劃能否按時(shí)實(shí)施，目前看是個(gè)巨大的問(wèn)題。

圖6：獵戶座載人飛船生命支持系統(tǒng)的閥門被發(fā)現(xiàn)故障

（圖片來(lái)源：NASA）

本次星艦第五次試飛，完成了超重助推器的回收，顯然這個(gè)里程碑對(duì)于阿爾忒彌斯計(jì)劃而言，是個(gè)利好消息。但是，阿爾忒彌斯計(jì)劃仍然存在更多的不確定性，比如星艦需要安裝著陸腿、獵戶座飛船能否承擔(dān)載人轉(zhuǎn)移的重任，都可能導(dǎo)致阿爾忒彌斯計(jì)劃被進(jìn)一步推遲。

這也就不難理解，美國(guó)宇航局為何在2023年8月宣布，將原定載人登月的阿爾忒彌斯三號(hào)任務(wù)，更改為繞月任務(wù)。這足以看出美國(guó)在載人登月整體進(jìn)度方面，仍然處于較為混亂的狀態(tài)，獵戶座飛船整體性能仍然不夠穩(wěn)定，星艦?zāi)壳斑€處于迭代試飛中，原定的2026年9月左右的登月時(shí)間極有可能被進(jìn)一步推遲。

圖7：洛克希德馬丁公司公布的登月艙設(shè)想

（圖片來(lái)源：NASA）

換個(gè)角度看，美國(guó)傳統(tǒng)的航天企業(yè)，比如波音、洛馬，在阿爾忒彌斯計(jì)劃中并沒(méi)有展現(xiàn)出中流砥柱的作用，獵戶座飛船甚至出現(xiàn)隔熱罩丟失碳層碎片的離奇失誤，由波音、諾格等研發(fā)的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS運(yùn)載火箭）除了因技術(shù)問(wèn)題多次推遲外，還面臨發(fā)射成本嚴(yán)重超支的問(wèn)題。白宮預(yù)算辦公室給出的評(píng)估文件稱，SLS火箭每次發(fā)射成本超過(guò)20億美元，波音公司仍然未找到降低發(fā)射成本的有效方法。星艦在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到多個(gè)試飛里程碑，反倒是給阿爾忒彌斯計(jì)劃注入了一些可能性。

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星艦真的能帶我們前往火星嗎？

星艦之所以在設(shè)計(jì)上突出超強(qiáng)的運(yùn)載能力，主要是因?yàn)槠淙蝿?wù)目的所致。它的目標(biāo)是將人類送往火星。

按照SpaceX的說(shuō)法，要在2050年之前將100萬(wàn)人送上火星，建立一個(gè)火星城市。按照這個(gè)目標(biāo)計(jì)算，需要建造1000艘星艦飛船，以每26個(gè)月一次的發(fā)射窗口向火星運(yùn)輸人員和物資。

至少在目前看來(lái)，這個(gè)計(jì)劃仍然有些超出我們的想象。畢竟當(dāng)前狀態(tài)的星艦也僅僅完成了第一次超重助推器的回收。即便解決了星艦的問(wèn)題，前往火星仍然存在較大的難度。

圖8：SpaceX的星艦登月想象圖，登月型號(hào)的星艦需要安裝著陸腿

（圖片來(lái)源：SpaceX）

第一、??????????? 心理問(wèn)題。

從地球飛往火星，需要半年左右的時(shí)間，人類長(zhǎng)時(shí)間在封閉空間中生活，可能出現(xiàn)普遍性的心理問(wèn)題，導(dǎo)致情緒訓(xùn)練也是太空飛行任務(wù)的關(guān)鍵。

第二、??????????? 身體問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境可能損害細(xì)胞結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致免疫紊亂、影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼組織等，甚至增加致癌風(fēng)險(xiǎn)，可能產(chǎn)生空間適應(yīng)綜合癥，對(duì)人體構(gòu)成深遠(yuǎn)的影響。移民火星的人員還面臨晝夜節(jié)律改變、睡眠障礙等問(wèn)題困擾。此外，長(zhǎng)時(shí)間在地球與火星之間進(jìn)行空間飛行，以及在火星表面生活，還需要考慮到空間輻射的問(wèn)題。美國(guó)宇航局的相關(guān)研究指出，登陸火星的宇航員受到的平均輻射是國(guó)際空間站的3倍以上，是地球表面的200多倍。

圖9：SpaceX設(shè)想中的火星城市

（圖片來(lái)源：SpaceX）

第三、改造火星的問(wèn)題。

SpaceX在2024年提出建造火星城市的設(shè)想，馬斯克認(rèn)為就地取材是建立火星城市的關(guān)鍵，預(yù)計(jì)在未來(lái)7到9年內(nèi)開(kāi)始這個(gè)領(lǐng)域的研究。所謂的就地取材，就是利用火星上現(xiàn)有的物質(zhì)，包括使用火星大氣中的氮?dú)夂臀⒘康难鯕膺M(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。但是要維持一個(gè)百萬(wàn)人口的城市，目前SpaceX也沒(méi)有比較可行的方案，更不用說(shuō)火星城市還能面臨的社會(huì)問(wèn)題等。

客觀來(lái)說(shuō)，本次星艦完成第五次試飛，對(duì)星艦項(xiàng)目而言，是個(gè)巨大的里程碑。但從SpaceX建造火星城市的角度看，目前還仍然處于起步階段，后續(xù)還需要攻克一系列目前看似無(wú)解的難題。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 太空探索對(duì)宇航員心理健康的負(fù)擔(dān)：敘述性評(píng)論

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[3] “Mechazilla”是什么？在半空中接住巨大星際飛船火箭的巨臂

[4] 星際飛船面臨月球任務(wù)性能不足的問(wèn)題

[5] 太空輻射對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)