SpaceX星艦系統如何改變未來太空探索的成本與技術格局

在如果 SpaceX 星艦系統能夠按預期運行，那么它絕對會改變太空探索的方式，因為它的設計解決了阻礙我們進行任何有意義的載人探索的兩個根本限制-技術和成本（可重復性）（作者認為目前來說）。

目前，我們的人類登陸的太空探索僅到達了最近的衛星—月球。即便如此，也耗費了巨額資金和資源，而且這種努力根本無法長期持續。如果僅僅將15噸的有效載荷送上月球就需要數十億美元，那么任何更遠距離的載人任務都將變得如此奢侈，以至于沒有哪個國家能夠獨自承擔。

星艦系統通過利用兩個關鍵優勢繞過了這些限制，從而大幅降低成本并提高有效載荷能力。首先是完全可重復使用性，這意味著用于將有效載荷送入軌道或更遠太空的飛行器也可以用于下一次任務，無需任何消耗性部件。

目前，發射行業使用極其復雜且結構精美的發射系統，這些系統本身就是精巧的手工組裝藝術品，但使用一次后就被棄置不用。

其背后的邏輯很簡單：軌道級火箭的燃料與有效載荷比非常高，為了將最大量的有效載荷送入軌道，必須犧牲一切。

如果有效載荷極其昂貴，而發射系統的成本僅占任務總成本的一小部分，那么這種做法是合理的。但這確實極大地限制了可行發射任務的范圍。

SpaceX放棄了傳統的精密加工鋁鋰合金板材并在無菌環境下精心組裝的工藝，轉而采用更工業化的方式，在其位于博卡奇卡的造船廠，利用簡易的帳篷結構，生產廉價且堅固的不銹鋼。

這不僅大幅降低了建造成本，還使飛行器的耐熱性遠超輕質合金。僅此一項就顯著降低了隔熱罩的需求，使得飛行器的總重量甚至低于配備必要隔熱裝置的傳統機身。

SpaceX推出的另一項重大創新是軌道加油的概念。雖然這項技術并非SpaceX獨有，但他們是首家致力于將其付諸實踐的公司。這項技術能夠重新調整火箭的運行方程式，從而無需對載人飛船進行多次級聯。具體來說，

與其為了登月而丟棄99.5%的飛船部件（其中只有一小部分能返回地球），現在你擁有了第二級火箭，它能夠將100噸貨物（裝在120噸重的飛行器內，不包括燃料和氧化劑）運送到月球、火星或你選擇的任何內太陽系目的地。完整的第二級火箭隨后能夠返回地球，并隨時準備用于下一次任務。

質量/燃料比變化不大，但一次性發射所有燃料的概念卻完全顛覆了。這樣做實際上重置了第二級火箭在軌道位置的ΔV，而通常情況下，其他所有火箭在軌道位置時燃料幾乎都已耗盡。

目前，看下sls和星艦的對比：

要想攜帶大量有效載荷飛越近地軌道，唯一真正的替代方案就是“重型運載火箭”。

SLS是美國宇航局登陸月球和火星的希望。

*目前，SLS火箭發射的預計價格約為20億美元。

*星艦火箭發射的預計價格約為200萬美元左右??便宜一千倍。

* SLS火箭的最大有效載荷為68噸。

*星艦的有效載荷在100至150噸之間。

* SLS火箭無法進行燃料補給。

*星艦可以進行燃料補給—既可以在地球軌道上補給，也可以使用在火星上制造的燃料。

*SLS火箭是手工打造的，一次只能制造一枚—它使用的是航天飛機項目剩余的火箭發動機。

當這些發動機耗盡時，他們將重新設計這些發動機以降低成本，否則20億美元的預算將會更高

*星艦的設計目標是實現大規模生產。SpaceX位于博卡奇卡的工廠日常工作主要集中在建造一條生產線上，這條生產線每隔幾天就能生產一枚新的星艦—而他們的火箭發動機工廠則采用3D打印技術制造火箭發動機，可以每天生產一枚新的發動機。

所以—有效載荷減半，價格卻貴了一千倍…

所以SLS正在走向消亡—即使不是馬上，最終也會如此。

影響

如果SpaceX的星艦能夠達到其承諾的性能，它將對太空運輸基礎設施和行星探測任務的經濟效益產生變革性影響。這場變革的規模和性質取決于星艦的可重復使用性、飛行頻率、安全性和監管整合情況是否得到驗證。

星艦為何重要（技術和經濟因素）

• 大有效載荷和低邊際成本：星艦計劃將超過100噸的有效載荷送入近地軌道，其完全可重復使用的架構旨在大幅降低每公斤成本，與現有火箭相比優勢顯著。更低的邊際成本改變了哪些任務是切實可行的（大型科學載荷、在軌制造、大型星座、用于近月和地表作業的大宗貨物運輸）。
• 有效載荷體積大：巨大的內部空間可以容納大型整體式硬件（望遠鏡、棲息地、低溫推進劑罐），并且與許多小型發射相比，簡化了太空組裝。

• 燃料補給和太空后勤：設計用于在軌道上進行燃料補給，從而能夠執行遠近地軌道任務，通過單次飛行器運送大型有效載荷，并可執行前往月球/火星的迭代任務，而無需組裝許多較小的級。
• 快速重復使用和節奏：需要短時間翻新和高飛行率才能實現低成本和可靠的物流；成功的運營將為貨物運輸，最終為機組人員運輸，創造一個可擴展的“類似航空公司”的模式。
• 推進和系統規模化：猛禽發動機（甲烷/氧氣，全流量分級燃燒）和不銹鋼結構旨在降低生產成本并提高高循環使用的耐用性。

對行星旅行（月球、火星、深空）的影響

• 月球：直接運送棲息地、大型探測車、原位資源利用設備和推進劑補給站成為現實。“星艦”簡化了可持續月球基地和商業月球物流，加速了科學和經濟活動的發展。
• 火星：高速度增量和燃料補給能力使得單飛行器向火星運送貨物和宇航員成為可能。大有效載荷使得預先部署棲息地、推進劑工廠和表面基礎設施成為可能，與多次小型轉移相比，這降低了任務架構的復雜性。但仍受到生命維持系統、進入/下降/著陸安全性和表面后勤保障的限制
• 深空探測器：無需進行大幅度的質量減少權衡，即可搭載大型儀器（大型光學器件、厚重的屏蔽層、高功率系統），從而實現更強大的行星科學任務（例如，低溫樣本返回、大型望遠鏡）。

對太空旅行和太空經濟（近地軌道、地月空間、商業）的影響

• 太空制造和棲息地：低成本發射原材料和大型結構，使得在軌制造、大型棲息地和旅游平臺在經濟上成為可能。
• 太空物流網絡：經濟實惠的大宗貨物支持燃料庫、備件和日常補給——將太空飛行從定制任務轉變為可操作的供應鏈。

• 衛星部署和維護：大型單次發射交付和在軌維護/加油改變了星座策略，使更大的衛星平臺成為可能，并降低了長期生命周期成本。
• 載人航天：對于軌道旅游、乘員輪換和大型空間站補給而言，經濟效益可能會發生巨大變化；乘員安全和認證時間表將決定載人飛行的普及速度。

局限性、風險和依賴性

• 實際操作性：革命性的承諾需要證明其具有高可重復使用性、低翻新成本和持續高頻率的運行能力。早期飛行可以驗證概念，但無法驗證其運行經濟性。
• 可靠性和機組人員安全：貨運成功并不保證載人飛行作業的安全。需要獲得認證、配備中止系統，并具備經飛行驗證的可靠性；這可能需要數年的運營和投資。
• 推進劑后勤和在軌燃料補給：軌道燃料補給技術已在小規模上得到驗證，但必須實現常規化和穩健化才能支持深空任務。月球/火星上的原位資源利用（ISRU）仍然是一項重大的技術和進度風險。
• 市場需求和監管環境：供應側成本降低必須滿足實際需求，并且需要監管框架（空域、太空交通管理、行星保護）才能安全擴展。
• 競爭和地緣政治因素：其他火箭、國家計劃和國際合作將影響架構和準入；單一供應商的主導地位會危及任務的韌性并引發政治反彈。

時間表和實際預期（至2030年代）

• 近期（未來 2-5 年）：繼續進行開發飛行、貨物演示、增加有效載荷、早期月球貨物任務；驗證降低成本的概念，但尚未達到航空公司的節奏。
• 中期（5-10 年）：如果可重復使用性和節奏得以實現，向近地軌道運送常規重型貨物和月球表面提供支持；初步的大規模商業活動和月球基地將成為可能。
• 長期（10 年以上）：成熟的物流、定期的火星貨運任務以及大型有效載荷帶來的復雜行星科學；更廣泛的地月空間工業化和新型任務。

示例和類比（典型場景）

• 科學：一艘星艦即可將米級低溫望遠鏡或兩級樣品返回裝置送入太空，而此前這些裝置需要多次發射和復雜的在軌組裝。
• 基礎設施：如果經濟和政策條件允許，定期發射星艦運送推進劑和居住艙模塊，可以在十年內將臨時月球前哨站變成一個可運行的基地。
• 經濟效益：就像集裝箱運輸降低了地球上的多式聯運成本一樣，低成本的大宗運輸可能會重新配置太空任務的設計方式——優先考慮質量和能力，而不是極端小型化。

總而言之，星艦具備革新行星探測和太空旅行的技術優勢，能夠改變成本、規模和后勤保障方式。

然而，這場革新是有條件的：它需要具備成熟的完全可重復使用性、高飛行頻率、常規的在軌燃料補給能力，以及符合監管和市場要求。

如果這些條件都能滿足，星艦將成為一個賦能平臺，轉變任務設計范式，開啟以往難以實現的任務；

否則，它仍然會是一款強大的重型運載火箭，但卻無法帶來人們通常設想的那種廣泛的系統性變革。