SpaceX星艦：單級入軌飛行器的技術挑戰與未來可能性分析

在現在火箭技術發展迅速的時代，SpaceX的星艦是否可以單級入軌？以目前的技術水平，單級入軌飛行器（SSTO）有多么荒謬。要么我們需要效率大幅提升（比沖更高）的發動機，要么我們就得設計一個極其夸張的有效載荷燃料比。

如果可以，也許會在以后的火星上！

/*擺脫引力

因地球引力太強，根本無法制造出實用的化學燃料單級入軌火箭（SSTO）。

根據計算，SSTO火箭的燃料占比必須達到95%到97%。我們無法制造出足夠大的火箭來容納所有這些燃料和發動機，同時還要保持如此輕的重量，更不用說還需要攜帶大量有效載荷。

以目前的技術水平，單級入軌飛行器（SSTO）有多么荒謬。要么我們需要效率大幅提升（比沖更高）的發動機，要么我們就得設計一個極其夸張的有效載荷燃料比，而這個比例目前來看根本不切實際。

我們知道星艦由兩級組成。

助推器將星艦上級送出大氣層，速度達到約2.7公里/秒。

之后，上級脫離大氣層，返回發射塔，再次被回收并安裝到發射架上，以便再次發射。

上級繼續進入軌道，攜帶最多150噸的有效載荷。在完成一次或多次軌道飛行后，上級再次脫離大氣層，返回發射臺，再次被回收并組裝。

它在軌道上通過加油機進行燃料補給。然后它飛往火星，在那里利用水冰和二氧化碳大氣生成液氧和液態甲烷，再次進行燃料補給。

它以單級飛行的方式從火星返回地球，所以它在火星上確實是單級入軌飛行器（SSTO）。或者也許應該說是單級返回地球飛行器（SSTE）。

/*星艦架構

SpaceX 的星艦系統在其基本配置下是兩級入軌飛行器（超重型運載火箭+星艦第二級）。

整個系統設計為可重復使用的兩級堆疊式結構；只有在少數特殊情況下，第二級才能在沒有單獨運載火箭的情況下入軌，但這并非其預期的單級入軌 (SSTO) 設計。

• 架構：星艦指的是上面級（“星艦”），超重型火箭是第一級助推器。兩者都采用液態甲烷/液氧猛禽發動機，并設計為可重復使用。正常的發射流程是，超重型火箭將星艦從稠密的大氣層中提升出來，并提供大部分進入軌道所需的Δv；之后，星艦執行軌道插入和在軌機動。

• 為什么實際應用中不采用 SSTO：
• 質量分數限制：實現單級入軌需要極高的推進劑質量分數和極低的干重。即使采用不銹鋼結構和猛禽發動機，燃料箱、發動機、隔熱罩、著陸裝置和有效載荷的總惰性質量也意味著飛船本身缺乏足夠的推進劑容量和質量比，無法從海平面攜帶有效載荷達到軌道速度。
• 重力和空氣動力損失：單級火箭必須克服重力和阻力，而不能借助分級裝置，這增加了所需的推進劑。
• 有效載荷權衡：移除助推器可以讓空飛船在某些測試條件下或攜帶最少有效載荷進入軌道，但與分級系統相比，實際有效載荷能力將微乎其微。
• 實際例外情況和測試用例：
• 動力星艦單獨進行“亞軌道跳躍”和高空飛行（用于測試或演示）是可行的，并且已經在原型機上進行了驗證，但這些都不是軌道插入。
• 原則上，一艘非常輕巧的改裝飛船可以從高空飛艇或空天飛機上投放，以較小的質量損失接近軌道速度，但這會改變復雜性，而且不是從地面發射的單級入軌飛船。
• 兩階段操作推理：
• 級聯可以提高整體速度增量和有效載荷比例，因為助推器在空載時會被丟棄，從而降低必須加速到軌道速度的質量。
• 可重復使用的兩級設計將發動機和熱力需求分散到各級，并針對每級的飛行狀態（濃密大氣與真空）進行優化。

結論：SpaceX的星艦系統有意采用兩級入軌架構。單憑星艦本身，無法從地面發射并攜帶有效載荷進行實用的單級入軌（SSTO）發射；分級發射仍然是高效入軌和攜帶重要有效載荷的必要步驟。