种种迹象表明，由ChatGPT引发的算力军备竞赛已经悄然而至了。
终于，到了检验人类最大火箭发射的时候了。
2023年4月17日，SpaceX将其大型深空火箭Starship发射升空，发射地点为SpaceX位于得克萨斯州博卡奇卡的“星际基地”。Starship总高度约120米，由底部70米高、配备33台“猛禽”发动机的超重型推进器和顶部50米高、可重复利用的飞船船舱组成。马斯克曾表示，Starship飞船首次发射成本约30亿美元。
根据SpaceX的设想，Starship是一种完全可重复使用的运输系统，可以将航天员和货物运送到地球轨道、月球、火星等地。
此次发射，风险很高，马斯克自己也只有五成的把握。但是，无论此次成功与否，都具有重要的意义。以Starship为代表的深空火箭，开启了人类深空探险的新篇章，其价值主要体现在以下三个方面：
高运载能力：Starship的近地轨道运载能力约为150吨，远高于美国“太空发射系统”及“土星五号”火箭。在不考虑回收的情况下，Starship的有效载荷更高达250吨-300吨，为未来更大规模的太空任务提供了有力支持。
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可重复使用：Starship作为一种完全可重复使用的运输系统，能够将航天员和货物运送到地球轨道、月球、火星等地。这一特点显著降低了飞行成本，为未来太空探索提供了巨大的潜力。
打开了探索火星的可能性：SpaceX的愿景是实现火星殖民。借助Starship的低发射成本和高运载能力，SpaceX计划建造1000艘Starship组成的太空舰队，以将10万人和相关物资运送到火星，实现火星殖民的梦想。
接下来，我们就以上三个方面来展开更深入的讨论。
火箭的运载能力
先来看看火箭的运载能力。
在航空航天领域，不断提升火箭的运载能力，是航天人永恒不变的追求。为此，火箭越做越大。
那么，为什么要将火箭越做越大，影响火箭运载能力的关键要素有哪些，如何提升火箭的运载能力？
事实上，火箭“大”有大的道理，火箭越大，运载能力越强，而提升运载能力有很多作用。例如，提高火箭的运载能力，使其能够执行发射大型通信卫星、天文观测设备等更多大型任务；更高的运载能力使得火箭能够携带足够的燃料和设备，支持深空探测任务，如对月球、火星等星球的探测；具备较高运载能力的火箭可以同时执行多个任务，从而提高发射效率，降低成本；越来越多的载人航天任务需要更高的运载能力，以满足人类在太空生活和工作的需求。
此前保持“人类最大运载火箭”称号的是美国“土星五号”火箭，它高约111 米，可发射约130吨有效载荷进入地球轨道，将约50吨有效载荷送往月球。相比之下，完全可重复使用Starship的近地轨道运载能力约为150吨。在不考虑回收的情况下，Starship有效载荷高达250吨-300吨，明显技高一筹。
那么，为什么Starship能够达到这么高的载荷呢？它在火箭技术上都有哪些突破和创新。
大体来看，Starship在火箭技术方面有三个重要的创新：
液氧甲烷火箭发动机+全流程燃烧循环技术。SpaceX自主研发了一种全新液氧甲烷火箭发动机——猛禽，甲烷作为燃料，比传统的液氢和液氧燃料更容易储存和携带，有利于降低火箭的复杂性和成本。此外，猛禽发动机采用了全流程燃烧循环技术，相较于传统的气体发生器循环和燃烧器循环，全流程燃烧循环技术可以更有效地利用燃料，提高火箭发动机的燃烧效率和推力。
用不锈钢作为主要材料。SpaceX在Starship的设计中采用了不锈钢作为主要材料。相比传统的铝合金或碳纤维材料，不锈钢在高温环境下具有更好的抗热性和强度，从而减少了火箭在大气再入过程中所需的热防护措施。此外，不锈钢材料成本相对较低，有助于降低火箭的制造成本。使用不锈钢材料还可以提高火箭的耐用性，有利于实现火箭的多次重复使用。
多台发动机的“捆绑”设计。Starship通过多台发动机组合可以提供更大的推力，提高火箭的运载能力。此外，这种设计方式可以提供更好的冗余性，在某些情况下即使部分发动机失效，火箭仍然可以继续飞行。
既然这种火箭设计方式有很多优点，那为什么以前没采用呢？这是因为这种组合式火箭需要克服一系列的技术难题，其中最关键的是要解决好三个问题：构建复杂的液氧和甲烷供应系统，为33台发动机精确控制燃料分配；确保所有发动机在不同阶段的火箭飞行中协同工作，这需要精确控制每台发动机的推力，以实现火箭整体的稳定性和可靠性；更好的热管理，解决发动机之间产生的热量对火箭结构和其他发动机的影响。
虽然过去有过类似的多发动机火箭设计，如苏联的N1火箭（使用30个发动机），但Starship的设计在许多方面都具有创新性。例如，Starship的33台猛禽发动机采用对称布局，提供均衡的推力，降低发动机之间的干扰和振动；部分发动机可以进行推力调节，以适应不同的飞行阶段和需求。正是因为诸多技术创新，Starship才敢将33台猛禽发动机组合起来。
我们不禁要问，既然通过这种组合方式可以大幅度提升火箭的整体推力，那提升载荷岂不是就简单了？比如，下一版本可以组装50台猛禽发动机，再下一次可以组装100台猛禽发动机。
然而，通过组装多台发动机提升整体推力这条路，并不能一直走下去，捆绑发动机数量的增加会带来一系列技术挑战和限制。
随着发动机数量的增加，火箭的整体结构需要进行相应调整。这可能会导致火箭的尺寸、重量和整体强度受到限制。同时，火箭的质量会随着发动机数量的增加而增加，可能导致火箭的有效载荷降低；为更多的发动机提供燃料需要更复杂的燃料供应系统，这将增加火箭的复杂性和重量，可能会降低火箭的整体性能；随着发动机数量的增加，协同控制的难度也会增加，热量管理也会变得更为复杂。
随着发动机数量的增加，火箭的制造成本和复杂性也将提高。同时，可靠性可能会降低，因为更多的发动机意味着更多的潜在故障点。尽管理论上没有明确的上限来限制捆绑猛禽发动机的数量，但实际上，需要在发动机数量、火箭性能、成本和可靠性等多个方面找到一个平衡点。
也许，可以将50台猛禽发动机“捆”在一起，但要是100台估计就不太可能了。
可重复使用
分析完火箭的运载能力，我们再来分析一下Starship的可重复使用特性。
为了更全面的了解人类火箭发射的发展历程，数据猿系统梳理了人类历史上的一些重要火箭发射事件，如下表：
从上表可以发现，纵观整个人类的火箭发射历史，SpaceX在可重复火箭使用方面都占据了核心的位置。在SpaceX之前，美国斥巨资开发了航天飞机，以期通过重复使用来降低航天成本。然而，航天飞机是一个失败的项目，尤其是在成本控制方面。
真正通过可重复复使用显著降低发射成本的，是SpaceX。SpaceX发射的Falcon 9成为可回收火箭的先驱。
在此次发射的Starship飞船，可重复性也是其关键特征。Starship主要是两部分组成：一个高约50米的Starship飞船船体，一个高达70米的超级重型火箭，这两部分都被设计成可以重复使用。
外行看热闹，内行看门道。在此，我们试图来拆解一些Starship实现重复使用的一些技术秘诀。
在Starship的回收使用过程中，以下几项技术最为关键：
动力下降与制导
Starship着陆时采用动力下降方法，即通过调整发动机推力来实现对速度和落地位置的精确控制。与传统的降落伞着陆方式相比，动力下降具有更高的精确度和可靠性。Starship在着陆过程中利用实时测量和计算来调整其姿态、速度和轨迹，确保其能够在预定的着陆区域内安全着陆。
在实现动力下降的过程中，Starship将33台猛禽发动机组合的动力方式发挥了重要作用。通过独立地调整每台发动机的推力大小和工作状态，可以实现火箭在各个阶段的动力需求。这种设计可以提高火箭的燃料效率，同时确保在某些发动机出现故障的情况下，仍然可以继续完成任务。在火箭返回大气层和着陆过程中，多台发动机的组合可以为飞船提供更稳定和可控的下降轨迹。通过对各个发动机的独立控制，可以实现更精确的姿态调整，从而提高着陆精度。在某些情况下，如果某个发动机发生故障，其他正常工作的发动机可以弥补失效发动机的推力损失，确保火箭能够继续飞行。
姿态感知与矢量控制
火箭实现安全着陆的核心，是要根据火箭的实时状态进行精准的调控，让整个下降过程都处于可控的状态。要实现这一目标，首先必须要精准感知火箭的实时状态。
在下降过程中，Starship通过一系列传感器、导航系统和控制算法来评估自身的状态和位置，核心系统包括：惯性导航系统（INS），惯性导航系统利用加速度计和陀螺仪来测量飞船的加速度和角速度。通过积分这些数据，INS可以计算出飞船的速度、位置和姿态。这种系统在无需外部信号的情况下可以独立运行，对于火箭而言具有很高的可靠性；全球定位系统（GPS）接收器，GPS接收器通过接收地球轨道卫星发射的信号来计算飞船的精确位置和速度。尽管GPS在大气层外的信号衰减较大，但与INS数据相结合，可以提高导航精度；高度计和速度计，雷达高度计和速度计可测量飞船距离地面的高度和速度。在着陆过程中，这些数据用于调整发动机推力以实现平稳着陆。
精确感知火箭的状态之后，接下来就需要依据状态来进行实时的调整，这涉及到姿态控制系统。姿态控制系统负责调整飞船的姿态，以实现所需的飞行轨迹和减速，这可以通过改变发动机的推力矢量、操作栅格翼以及使用反作用控制系统（RCS）来实现。控制系统的核心是控制算法，Starship的控制算法根据传感器和导航系统收集的数据来确定飞船的状态，并计算出必要的指令。这些指令通过闭环控制系统发送给各个执行部件（如发动机、栅格翼和RCS），以实现实时调整。
在接到调控指令之后，发动机也需要进行精准的动力控制。为了实现精确的姿态控制和着陆，Starship采用了矢量控制技术，这种技术允许发动机在推力矢量方向上进行微小调整，从而实现对飞船姿态的精确控制。矢量控制系统通常包括推力矢量喷管、液压驱动装置和控制器等组件。
此外，Starship还有一些独特的技术，最典型的就是栅格翼控制和“腹部跳跃”。通过改变栅格翼的角度和展开程度，火箭可以在高速下降过程中实现精确的航向和姿态控制。Starship在返回大气层时，采用一种名为“腹部跳跃”的独特降落方式。飞船先以腹部朝地面的姿态进入大气层，利用机身的气动特性产生阻力，实现减速。在这一过程中，飞船还可以通过调整姿态来改变下降轨迹，从而实现更精确的着陆。
值得注意的是，火箭重复使用是一个系统工程，除了单点技术创新外，还需要配套很多其他方面的能力。
例如，为了确保可重复使用，猛禽发动机必须具有较长的使用寿命和出色的可靠性。猛禽发动机采用全流燃气发生器循环，提高了燃烧效率，降低了发动机磨损，从而延长了寿命。SpaceX在Starship中采用了不锈钢作为主要结构材料，这种材料具有较高的强度和耐热性，同时成本较低。SpaceX研发了一种名为“六边形热防护瓦”的轻质热防护材料，覆盖在Starship飞船的外表面，这些瓦片可以在飞船重返大气层时承受极高的温度。
为了简化维护和降低成本，Starship飞船的许多部件被设计成可回收和可替换。这意味着在飞船完成任务后，这些部件可以轻松地回收和重复使用，或者在必要时进行更换。为了实现高频次的重复使用，Starship飞船和超级重型火箭需要在完成任务后快速进行整备和发射。这要求对火箭各部件进行维护和检查的时间大大缩短，同时简化整个发射过程。这需要在火箭设计、地面设施和发射操作等方面进行创新。
移民火星的可能性
众所周知，马斯克对登录火星有很强的执念，他创造SpaceX最主要的目标就是要实现人类的火星移民。可以说，Starship的此次发射也是为将来登录火星做准备的。
马斯克曾公开声称，一旦Starship试验成功，就将启动规模化生产。如果以每年建造100艘，那在10年内就能打造一个由1000艘Starship组成的太空舰队，有望将10万人送到火星。
梦想总是要有的，万一实现了呢。
最后，就让我们畅想一下人类大规模移民火星的那一天吧！
为了让读者提前感受一下那激动人心的时刻，我们模拟了移民火星的整个过程：
在准备将人类送往火星之前，首先需要确定一个合适的发射窗口。地球和火星每26个月左右会出现一次较近的距离，这个时间是最佳的发射窗口。
经过长时间的精心策划和准备，终于到了发射的日子。在发射场上，庞大的Starship火箭矗立在发射塔旁，它分为上下两层：上层是飞船部分，装有乘员舱、货舱和生命支持系统；下层则是强大的助推器，负责将飞船送入地球轨道。
在火箭发射之前，工程师们对Starship进行了一系列的检查和测试，以确保其性能完好无损。发射当天，地面控制中心紧张而充满期待地监控着火箭的各项参数。
Starship火箭的一大特点是其强大的推力，这要归功于其庞大的猛禽发动机群。拥有数十台猛禽发动机，Starship具备了巨大的载荷能力。当发射倒计时接近尾声时，所有猛禽发动机燃烧起液体甲烷和液氧，逐渐积累足够的推力。在计时器归零的一刹那，火箭从发射塔上冲天而起，强大的推力将它推向地球轨道。
火箭缓缓升空，穿过地球大气层，最终进入预定轨道。在地球轨道上，助推器与飞船成功分离，助推器返回地球，而飞船则继续前往火星。
在地球轨道停留约1周后，航天器将进入火星转移轨道，开始长达6-9个月的太空飞行。在长达数月的太空旅程中，宇航员们依靠飞船上的生命支持系统维持生活。他们定期进行科学实验，收集太空数据，并通过先进的通信设备与地球保持联系。
经过数月的旅程，飞船终于抵达火星。在进入火星大气层之前，宇航员们对飞船进行了一次全面检查，以确保各项设备运行良好。在适当的时机，飞船调整姿态，以最佳角度进入火星大气层。
Starship火箭在火星着陆阶段展示了其先进的技术特性，如动力下降、制导、姿态感知与控制以及矢量引擎。在火星大气层中，火箭的姿态感知与控制系统确保了飞船能够保持稳定的飞行姿态。当飞船降至合适高度时，它会部署降落伞进一步减速。
在距离火星表面不远处，飞船的矢量引擎将重新点燃，实现火箭助推减速。这一阶段对发动机控制的精度要求非常高，以确保飞船在火星表面实现平稳着陆。通过Starship火箭的技术，宇航员们成功在火星表面着陆，开始了他们在这颗红色星球上的探险。
文：一蓑烟雨 / 数据猿
