S33对比S31,第二代星舰有哪些进化?

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▲S33和S31双舰并肩耸立 照片来源@Singularity@StarshipGazer

第一代最后一艘星舰S31与第二代第一艘星舰S33,最近接连亮相,相望于星舰基地。就像是两位风云人物历史性会晤,即将并肩作战。象征着星舰开发进入「双舰交接时段」,为不久后开启星舰第六飞、第七飞拉开序幕。

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▲编号S31星舰 照片来源@StarshipGazer

●S31:第一代最后一艘星舰

编号S31星舰,属于第一代星舰最后一艘飞船,将与编号B13超重型火箭堆叠,构成最新星舰组合体,预计今年11~12月执行第六次星舰综合测试飞行(IFT-6)。

S31从2023年8月31日开始组装,33天后,10月3日完成组装。2024年5月12日在梅西测试场进行首次低温测试时,由于低温管线在最初测试时破裂,导致高压电缆放电并引发小型火灾。经过维修检查后,7月1日重返梅西测试场,顺利完成两次低温加压测试。9月历经两次试射中止后,9月18日成功进行6台全发动机静态点火测试。之后转运至高湾,开始更换特定区域隔热片(并非像S30那样全部更换),主要是重新铺设前襟翼周围的隔热片,以增强其热防护能力。

S31舰高50.3米,直径9米,干质量120吨,推进剂最大加载量1200吨。装配6台猛禽发动机(3台海平面版+3台真空版),最大推力1250吨。采用第二代猛禽发动机,海平面推力230吨,真空版推力258吨,比第一代猛禽推力提升25%。第一代星舰近地轨道运力40~50吨,5次测试飞还未尝试部署过任何有效载荷。

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▲编号S33星舰 照片来源@StarshipGazer

●S33:第二代第一艘星舰

编号S33星舰,属于第二代星舰第一艘飞船,为新一代测试星舰打造模版,计划与编号B14超重型火箭堆叠,构成第二代测试星舰组合体,预计明年第1季度,执行第七次星舰综合测试飞行(IFT-7)。

S33从2024年7月14日开始组装,8月23日完成,组装堆叠用时40天。比S31用时33天略长。10月26日转运至梅西测试场,即将进行低温加压测试。后续也会进行静态点火测试,具体时间待定。

S33舰高52.1米,直径9米,干质量120+吨(120吨 < 干质量 < 150吨),推进剂最大加载量1500吨。装配6台猛禽发动机(3台海平面版+3台真空版),最大推力1450吨。预计采用第三代猛禽发动机,海平面推力280吨,真空版推力306吨,比第二代猛禽推力提升22%。近地轨道运力理论值约为100吨。

S31与S33分别作为第一代、第二代星舰「交接时段」的代表,有必要对两者进行各方面对照,以示V1、V2两代星舰的迭代变化。三体引力波对此梳理,对比如下:

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▲S31高50.3米,S33高52.1米 示意图来源@BingoBoca

●S33高度增加1.83米

S31舰高50.3米,S33舰高52.1米,意味着第二代星舰(V2)比第一代星舰(V1)增高1.83米,也就是多出一个不锈钢环高度。

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▲S31与S33载荷空间对比 示意图来源@BingoBoca @ErnestCalFab

●S33载荷空间缩减266m³

S33除了外表增高以外,内部舱室也有较大变化。有效载荷舱室缩减了两个环高,即3.66米。经估算,S33载荷舱室空间约为591m³。比第一代星舰(S31)载荷舱室空间~857m³缩减266m³。

尽管如此,如果启用第二代星舰部署第二代星链卫星的话,应该足够用。第二代星链每颗1.2吨,第二代星链(Starlink V2)卫星比第一代更大、更重。完整版本的星链V2卫星约重1.25吨,长约7米,宽约3米。相比之下,目前部署的星链V2迷你版卫星(Starlink V2 Mini) ,每颗质量不到800公斤,长为4.1米,宽为2.7米。

随着第三代星舰增高到69.8米,比第二代高出17.7米,有效载荷舱室恢复性增加两个环高(3.66米),最终第三代载荷空间与第一代相当,接近1000m³。

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▲S31推进剂质量1200吨,S33推进剂质量1500吨 示意图来源@BingoBoca

●推进剂增加300吨

S33缩减载荷舱室空间的同时,增加了推进剂贮箱空间,即推进剂加注量增加300吨。这将提升星舰的运载能力,可以运送更多的货物进入轨道。具体来说,通过增高一个环(高1.83米),可增加100吨推进剂;通过向上移动舱壁两个环(高3.66米),挤占载荷舱室空间,可增加200吨推进剂。这些可以新增推进剂300吨,让S33推进剂最大加载量可达1500吨,而S31最多只有1200吨。

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▲S33前襟翼变化很大 照片来源@Interstellar Gateway

●前襟翼变化显著

相比于第一代星舰,第二代首舰S33的前襟翼变得更薄更尖。具有更倾斜的形状,相比第一代设计不再保持底部与地面平行。厚度减小一半,质量更轻。并且铺设了更小块隔热片。前襟翼的气动外壳更薄,并具一体化的前沿盖板。襟翼基座变得更窄小。

前襟翼整体向上向后移,更靠近头锥顶部和背风侧,这些改动目的是避免铰链处于高温等离子流中,有助于提高耐热性,从而提升飞船再入能力。

S29、S30再入时,前襟翼均有不同程度的烧蚀损坏。即将第六飞的S31,前襟翼同样采用旧款设计。测试团队期望S33新襟翼能够彻底解决前翼再入受损问题。

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▲S33头锥特写 照片来源@Interstellar Gateway

●头锥隔热片全覆盖

S33头锥顶部全都被隔热片覆盖,比第一代星舰覆盖范围大。这是据悉前几次飞行收集数据和SpaceX内部模拟结果得出的优化措施,以更好保护星舰在再入大气层时的安全性。

从S29开始,隔热罩全面优化升级。在星舰迎风侧,由内向外铺设毛毡、网格与隔热片之间,增加一层烧蚀材料,以提升耐热性,优化脱轨再入时的热防护能力。

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▲S33四个顶端吊装点 照片来源@NASASpaceflight @Jack Beyer

●头锥吊装点减到4个

第一代星舰原有的6个顶端吊装点,被第二代新设计的4个较小吊装点取代。位于S33头锥顶端,用于头锥和货舱的初始堆叠。

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▲S33四点吊装系统 照片来源@NASASpaceflight @Jack Beyer

●采用四点吊装系统

初始堆叠之后,SpaceX使用四点吊装系统来完成大部分组装操作,4个顶端吊装点由隔热片覆盖。并且在头锥上增加一个缓冲器,这样吊装更稳定,不会再像旧系统那样发生旋转和摆动。这种四点吊装系统比之前的两点吊装系统更加稳定。即使未来第三代星舰进一步增高,也无需提升塔架的高度。

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▲S33头锥内部新增环形支架  照片来源@NASASpaceflight @Jack Beyer

●头锥内部变化

头锥内部新增许多加固筋条,且筋条分布更均匀。头部推进剂贮箱(小型液氧箱和甲烷箱)布局被简化并且更紧凑。头部液氧箱直接整合在头锥结构中。下方则是头部甲烷箱,安装在环形支架上,支架同时容纳星舰需要的复合材料压力罐(COPV)。新的内部支架设计也为头锥腾出更多空间,用于货舱空间。这些头部贮箱还采用了新的集液设计,以保证推进剂更顺畅地流入传输管道。

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▲S33星链天线新位置 照片来源@Starbase Surfer

●星链天线新位置

S33星链天线被移至星舰左右两侧,相距180度。这印证了稍早之前FCC文件显示:第二代星舰会使用全新的Starlink终端系统。

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▲S33新增两条管线 照片来源@Starbase Surfer

●背风侧新增管线

S33背风侧新增了两条管道,用于将压力管线和电缆分离,以避免今年5月12日S31因气罐故障引发的电气火灾。此举能更好地保护系统安全。

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▲S33采用更平滑圆顶 照片来源@RGV Aerial Photography

●前部隔板采用更平滑的椭圆形圆顶

S33前部穹顶隔板(又称前部隔板 Forward Dome)采用更平滑的椭圆形圆顶,增加了燃料贮箱以及推进剂储备。

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▲S33通用舱段使用更小隔热片 照片来源@NASASpaceflight @Jack Beyer

●通用舱段采用小型隔热片

S33舰体新变化还包括改进焊接系统,通用舱段采用小型隔热片(S31使用通用隔热片),整体紧致,不易脱落,提高热防护性能。

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▲S33载荷舱门边框更加圆润 照片来源@Starbase Surfer

●载荷舱门边框更圆润

S33有效载荷舱门边框更加圆润,而S31舱门边框棱角分明。

此外,S33有效载荷舱内部的纵梁结构,布局更密集,而且纵梁都是实心设计,而不是采用镂空设计表面打孔,进一步加固载荷空间结构。

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▲S31筷子挂载点 照片来源@Starbase Surfer

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▲S33筷子挂载点 照片来源@Starbase Surfer

●筷子挂载点位置降低

S33有效载荷舱的左右两侧各有两个筷子挂载点,位置明显低于S31。S31筷子挂载点位于前襟翼下方。与S31两个筷子挂载点功能类似,用于发射塔的机械臂(筷子)托举,但也可能首次尝试被筷子空中捕获。从S33开始,第二代星舰降低筷子挂载点位置,为了避开襟翼,便于筷子抓取捕获。

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▲S33尾部局部采用小型隔热片(红框内)照片来源@Starbase Surfer

●舰尾隔热片优化设计

S33尾部区域隔热片设计进行了优化,一部分采用小型小型隔热片,以提高抗热保护效率。另外,S33推力裙部增加了50%加固结构,而且使用了重新设计的通风孔,有助于更高效的气流管理,减少过热。

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▲第三代猛禽发动机 照片来源@SpaceX

●发动机配置升级

预计S33采用更先进的第三代猛禽发动机,推力和燃烧效率均有明显提升。第三代猛禽海平面推力280吨,真空版推力306吨,比第二代猛禽推力提升20~22%,燃烧室压力增加50巴。S33总推力约1450吨,比S31总推力1250吨增加200吨。第三代猛禽比第二代设计结构更加精简紧凑,删除热防护罩,优化大部分管道和传感器,以提高可靠性、再入点火性能。

S33还为三台真空版猛禽发动机配备了各自独立的降液管。独立的降液管可为每台真空发动机提供更稳定的燃料供应,有助于提高发动机在轨点火的可靠性和精准性。

S33亮相于世,代表从初代到更成熟的第二代星舰系统的一次显著跨越。SpaceX开发团队对热防护系统、推进系统、起吊系统、货舱设计、推进剂存储、软件系统做出多项升级改进,让星舰更稳定更高效,并且提高可靠性。这些调整不仅优化了新一代星舰的整体性能,也为明年高频次测试飞奠定了基础。

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