2025年10月14日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的“超重-星舰”（SuperHeavy - Starship）完成第十一次飞行试验，一级复用和可控返回、模拟载荷部署、“猛禽”（Raptor）发动机在轨重启、二级再入和溅落等预期目标全部达成，标志项目研制取得阶段性成果。一代和二代“超重-星舰”共计完成11次飞行试验后，正式落下帷幕；三代“超重-星舰”正在制造总装，将在2026年进行首飞，开启从飞行试验向工程应用过渡的新阶段。本文对SpaceX公司提出的各代“超重-星舰”方案进行了简要对比，总结了一代、二代11次飞行试验中的优化改进重点，并简要分析了其未来可能产生的影响，以供参考。

SpaceX瞄准殖民火星的终极目标，在2016年正式发布“超重-星舰”，并在2019年首次开展“星跳者”（Starhopper）验证机跳跃试验。之后，大量验证机的高频次地面测试和飞行活动持续进行到2021年底。SpaceX基于试验数据和经验教训快速迈向入轨级试验，从2023年4月一代“超重-星舰”首次全箭飞行试验，到2024年11月，在19个月时间完成6次发射；二代“超重-星舰”从2025年1月首次飞行试验后，更是在短短十个月时间内完成5次发射，进一步压缩了试验间隔，加速了“超重-星舰”的代际更替。

SpaceX在“超重-星舰”第十次飞行任务之后，公布了4代“超重-星舰”的基本方案，各代之间具有延续性，均采用两级串联构型：一级为超重推进级，采用33台“猛禽”发动机；二级为“星舰”飞船，采用3台海平面型“猛禽”发动机和3台真空型“猛禽”发动机，集成有效载荷舱，区别于传统火箭有效载荷整流罩和末级进行分离的设计方案；一级和二级均可重复使用，不设着陆装置，而是利用发射回收塔架上的“筷子”装置捕获回收，发射回收装置被SpaceX称为整个系统的“零级”。各代的主要指标参数如表1所示。

表1 各代“超重-星舰”的主要性能指标对比

一代和二代运载能力分别为15t和35t，被定位为飞行原型验证机，后续将不再使用。三代运载能力达到百吨级，具备实用能力，计划在2026年进行首飞，预计将先用于三代“星链”（Starlink）卫星的部署，单次能够发射60颗。

四代是未来改进型号，箭体高度和推进剂加注量显著增加，二级真空型发动机增加3台，运载能力达200t级，载人构型的增压舱容积超过1000m³。但其后续发展有待实际飞行试验情况，尚未开展全面的工程研制。

二代和三代各自相对于前代的主要设计变更如表2所示。

表2 二代和三代“超重-星舰”的主要设计变更

SpaceX创始人伊隆·马斯克在公布四代“超重-星舰”方案的同时，明确表示三、四代方案参数还会持续更新。可以看到，“超重-星舰”项目在工程研制阶段，并非拘泥于某个具体方案，追求一次把事情做对，而是先形成“最小可行解”，然后在真实飞行环境中暴露问题、探索边界，迭代优化各种细节。因此，代际方案更多是“迭代”出的结果，而非完全“设计”出的结果。正是基于这种理念，使得分系统、单机和关键技术在高频次的飞行试验中不断取得新进展，总体方案成熟度持续提升，从工程研制走向应用的步伐更快。

（1）推进系统逐步实现稳定可靠工作

“猛禽”发动机作为推进系统的关键，其单机性能和可靠性得到大幅提升。历次飞行试验过程中，在上升、返回和着陆三个不同工作阶段，发动机正常工作数量持续提升（见表3）。前期试飞均未能进行到二级发动机工作阶段，到后期二级发动机实现全程正常工作；前期一级出现故障的发动机最多超过10台，而最后一次飞行中仅1台出现单次故障；第六次、第八次和第十一次飞行中，某台发动机出现故障后，在后续工作阶段仍能恢复启动和工作，也是其可靠性提升的重要体现。与此同时，“猛禽”发动机持续迭代使性能得到大幅提升（见表4），并通过大量地面试车验证工作可靠性，例如二代“猛禽”单次地面试车最大时长达897s，三代“猛禽”发动机从2024年以来试车累计时长达4×10⁴s。

表3 “超重-星舰”11次飞行试验中

各阶段发动机故障数量

表4 各代“猛禽”发动机参数对比

“超重-星舰”采用多发动机并联方案，其冗余重构能力得到验证。一方面，SpaceX通过加强底部热防护、提升发动机舱吹除能力、增加发动机间隔离措施等方法解决了一级33台并联的复杂力热环境耦合问题，能够有效隔离单机故障，不会引发连锁反应，提升并联可靠性。另一方面，大量发动机并联使二代“超重-星舰”的起飞推重比达到1.42，远超土星-5（Saturn - 5）火箭的1.19，因此即便少量发动机发生故障，也可通过冗余推力实现飞行剖面重构，保证任务成功。例如：在二代5次试飞中，虽然一级都遭遇1～2台发动机故障的情况，但均未影响一级主要任务目标的完成。

另外，推进剂增压输送系统和发动机重启能力得到持续优化。试飞过程中暴露出自生增压方案造成结冰进而阻塞输送管路的问题，以及“猛禽”发动机点火系统功率过低的问题，分别通过提升贮箱和输送管路的过滤能力、升级点火器加以解决，实现了一级着陆条件下的稳定重启。二代“超重-星舰”试飞遭遇的二级增压输送系统谐振问题，以及甲烷贮箱增压气体扩散器失效问题，分别通过优化管路设计和发动机推力水平、降低扩散器结构应变得以有效处置。另外，针对一、二级发动机重启使用的小贮箱，通过优化输送管路设计、提升容积等措施，增强了发动机重启时的推进剂输送能力。

（2）不锈钢箭体结构方案得以优化和验证

在快速迭代模式下，箭体结构设计优化受益最大。飞行试验有效暴露出结构设计薄弱环节和优化余量，SpaceX借此获取大量真实飞行载荷及环境数据，再结合仿真分析、地面结构试验等手段，进行局部加强和优化减重。局部加强改进部位包括贮箱筒段、箱底与筒段连接、开口部位（如：排气口、附属结构安装点），加强措施包括增加纵向加强筋和双层加强板等措施。优化减重措施主要包括发动机安装圆盘等部件的优化、减材和减重，以及减少固定装置等部件的数量。

在一代飞行试验初步验证系统方案可行性后，二代飞行试验更注重摸索不锈钢结构在极限工况下的承载能力。一是提高一级返回飞行攻角，研究更多利用气动减速降低回收推进剂消耗以提升运载能力，第九次飞行试验的一级也因此发生输送管路失效，最终损毁。二是修改二级再入飞行剖面，为襟翼设置更为严苛的载荷环境，获取其在最大再入动压条件下的结构极限。三是移除头锥、迎风面和襟翼等关键部位的隔热瓦，二级仍能完成再入，证明不锈钢结构具有较好的再入热环境生存能力。相比而言，哥伦比亚号航天飞机（STS Columbia OV - 102）再入返回时，因一处机翼隔热瓦受损脱落，铝合金结构无法承受侵入的热流冲击，导致结构失效和解体。

虽然不锈钢结构再入承载能力优势突出，但其结构效率较低。猎鹰-9（Falcon - 9）火箭采用轻质铝锂合金结构，起飞质量为550t，在一子级重复使用状态下，最大低轨运载能力为17.5t，运载系数3.18%。（注：运载系数指的是运载火箭运载能力与起飞规模的比值，是一个无量纲参数）二代“超重-星舰”起飞质量5000t，运载能力35t，运载系数仅为0.7%，如果考虑到二级重复使用造成的结构效率损失，将二级干质量和着陆推进剂（100t左右）作为入轨质量，运载系数为2.7%，仍低于猎鹰-9火箭。

（3）热防护初步探索出可行解决方案

陶瓷隔热瓦从第五次飞行试验进行更新换代，强度提升为原来的2倍，隔热瓦损坏情况有明显好转。其隔热瓦以二氧化硅和氧化铝极细纤维为原材料，再加上表面特殊涂层，比航天飞机的碳碳复合材料更轻。隔热瓦升级后，SpaceX在东海岸名为“烘焙坊”（Bakery）的工厂内，改进自动化生产线，到第十一次飞行试验时，日产量达1000块，未来目标是日产7000块，单月产量可装备10枚二级。

第五次飞行试验增加烧蚀层后，初步形成隔热瓦+隔热毡（白色）+烧蚀层（黑色）为主体的迎风面多层被动热防护系统。在固定安装方面，通过引入新型销钉焊接机器人和两类小尺寸隔热瓦，二级总装焊缝处的胶粘隔热瓦都被统一为销钉连接，既提高了连接可靠性，也能保持多层热防护的连续性。隔热瓦缝隙填充的关键问题则是在最后两次飞行试验中得以解决，即“压折包覆”方案，利用机器人机械安装固定隔热瓦时，将隔热毡像包装纸一样包裹在每块隔热瓦周围，填充缝隙，然后再从表面切除多余部分，从而实现缝隙密封。

可是，SpaceX在二代多次飞行试验中都搭载了3片金属隔热瓦，由于第七次到第九次飞行试验连续遭遇失利未能验证再入环节，直到第十次飞行试验才发现金属隔热瓦再入氧化烧蚀严重、方案不可行，因此SpaceX最终决定不再尝试金属隔热瓦，并在第十一次飞行中继续全面采用陶瓷隔热瓦。

不过，到第十一次飞行试验中，二级再入仍有隔热瓦大量脱落情况，未来实现二级回收后可能仍需要大量维护和更换，因此，当前热防护方案更像是“最小可行解”，还未达到完全快速重复使用的目标。

（4）其他方面改进

除了推进、结构和热防护的改进外，飞行试验中实现的其他改进主要包括：从冷分离方案改为热分离方案，运载能力提升10%；推力矢量控制的伺服机构从液压改为电磁驱动；增加“星链”天基测控，大幅提升数据采集量；增加二级滚转姿控推力器冗余数量；热分离后一级姿态翻转从被动控制调整为主动控制，最大程度降低推进剂消耗量等。

三代“超重-星舰”若顺利完成飞行试验，将作为首个实用构型逐步进入工程应用阶段，并率先用于三代“星链”部署；后续在轨加注得到突破后，再执行高轨和深空目的地任务。“超重-星舰”作为一型颠覆性的航天运输工具，具备全复用、大运力、快周转、低成本的特点，将对未来航天领域发展产生重要影响。

首先，推进低轨互联网星座性能指标跨越升级。三代“星链”已初具雏形，单星下行带宽达1Tbit/s。单发“超重-星舰”可为星座扩容60Tbit/s，相当于20多发猎鹰-9火箭。若按SpaceX为5个专用发射工位申请的145次发射许可上限计算，“超重-星舰”一年内最多可为星座扩容8700Tbit/s，是猎鹰-9近6年累计310余次“星链”发射总容量的20倍，使星座容量实现量级提升，未来可能会对互联网和手机通信行业产生颠覆性影响。

其次，引领月球资源开发利用规模迈向新高度。后续“超重-星舰”项目将重点发展推进剂在轨加注能力，涉及低温推进剂大规模转移和长期在轨贮存等关键技术，若取得突破，“星舰”的月球轨道转移能力将达百吨级，加之快速周转复用能力，可持续向月面大规模运输物资，支撑美国国家航空航天局（NASA）“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划下的月球基地建设、资源开采利用等目标的实现。

再次，带动大型空间载荷发展和空间基础设施建设。“超重-星舰”既有超百吨的运载能力，还有直径超8m的整流罩空间包络，为空间载荷向更大规模发展提供了可行性。在“超重-星舰”项目快速发展的牵引下，NASA已研究如何利用“星舰”部署下一代空间望远镜和天基太阳能电站，商业公司也提出了15t超大型卫星和直径7～8m的大型空间站舱段发展计划，推动空间探索和空间利用向更高水平发展。

最后，促进军事和民用极速运输系统发展和建设。在第十一次飞行试验直播过程中，SpaceX特别提及“星舰”二级从发射到再入溅落太平洋仅1h，暗示其作为地球点到点运输工具的潜力。同时，美军“火箭货运”项目的预算也在逐年增加，已经启动了着陆试验场坪的选址工作，并同步推进再入返回、货物集装箱、复杂环境着陆等技术的研究。未来，“超重-星舰”方案走向成熟之后，可能会促进军事和民用领域的极速运输需求进一步拓展，形成物资和人员运输的新方式。

“超重-星舰”项目基于快速迭代的研制理念，在不到两年半时间内完成两代产品的11次入轨级飞行试验，通过实际飞行对设计方案进行考核，摸索极限工况下的余量，有效掌握系统可靠工作的边界条件，并利用“星链”天基测控获取大量飞行数据，高效推动方案优化，推进、结构和热防护等主要关键技术解决方案均得到验证，达成了阶段性目标。

“超重-星舰”对于航天领域发展将具有划时代的意义，只是后续还面临推进剂在轨加注、月面着陆等重大技术挑战，而快速重复使用热防护等技术可能还会需要基础科学领域的突破，短期内很难一蹴而就。