SpaceX星舰二次试飞，虽“炸”犹荣

备受瞩目的超重-星舰第二次综合飞行试验（IFT-2），于美国中部时间2023年11月18日7:03（北京时间2023年11月18日21:03）如期执行，这是超重-星舰的第二次入轨飞行试验。

虽然超重助推级在分离后“快速计划外解体”（RUD），星舰飞船级未能按预定飞行方案入轨而触发自主飞行中止系统（AFTS），飞行试验以失败告终，但SpaceX公司仍达成多个重要目标，包括：飞行中一级33台发动机全程持续工作，未出现故障关机情况；超重助推级和星舰飞船级的热分离方案取得成功；飞船6台发动机实现长程点火工作。此次飞行试验目标部分达成，标志着超重-星舰项目再一次取得重要突破，持续快速迭代。

一、试飞及目标完成情况

（一）试验目标和计划

本次综合飞行试验旨在全面收集火箭、发动机、计算机和地面系统性能等方面数据，试验结果将用于设计模型的改进。超重-星舰计划从得克萨斯州的星基地发射升空，然后绕地球进行部分轨道飞行。超重助推级将在墨西哥湾进行水上着陆。随后，星舰飞船将再入大气层，并在夏威夷附近的太平洋进行水上着陆。

试验的重点集中在超重助推级的飞行上，试验中对新的级间热分离技术的验证是最具挑战的环节。马斯克曾预测本次飞行试验的成功率大概是60%。

图1 超重-星舰在发射台上准备发射

图2 超重-星舰IFT-2的计划飞行剖面

表1 超重-星舰第二次综合飞行试验计划执行时序

（二）飞行试验情况

本次发射采用B9超重助推级和S25星舰飞船级，原计划于11月17日发射，但由于需要更换栅格舵的执行器组件而推迟了24h。

11月18日，第一次发射倒计时在T-40秒时暂停，导致此次暂停的原因是“星舰飞船级增压滞后”。约2min后发射倒计时继续读秒，最终在美国中部时间11月18日7:03（北京时间11月18日21:03），B9助推级+S25飞船级组合体从位于博卡奇卡星基地的轨道发射台-1（OLP-1）顺利起飞升空。

直播画面显示，起飞后上升段飞行正常，超重助推级33台猛禽发动机全部点火，并持续工作，未出现发动机故障关机的情况。

起飞2分43秒后，超重助推级外围30台发动机关机，仅剩余中心3台发动机工作；同时，星舰飞船级发动机点火启动。随后，起飞后2分48秒左右，超重助推级和星舰飞船级之间的连接解锁，成功实现了热分离；同时，超重助推级中圈10台发动机中的9台启动、中心1台发动机关机，并向一侧摆动，实现姿态翻转。分离过程中，飞行高度约70km，速度约1.56km/s。

图3 超重-星舰的热分离方案成功得到验证

图4 分离过程中超重助推级发动机的工作状态（白色工作、黑色关机）

起飞3分20秒后，超重助推级所有发动机关机，并出现“快速计划外解体”（RUD）。

之后，星舰飞船级继续飞行，在起飞约3分40秒后，星舰丢失信号，当时可能已经触发自主飞行中止系统（AFTS）。根据SpaceX直播画面，星舰飞船级的最大高度148km，速度6.7km/s。据推算，星舰的轨道为－1740km×150km，返回再入可能会影响到有人居住区，因此触发飞行中止系统。

（三）试验前准备情况

超重B9助推级于2022年12月启动地面试验，相关试验情况见表2。星舰S25飞船级的试验活动于2022年10月下旬开始，相关试验情况见表3。

9月5日，B9与S25首次对接总装。10月24日，SpaceX在得克萨斯州星基地对B9+S25组合体进行了一次加注演练，以检查该箭是否存在泄漏和其他潜在问题。

表2 B9地面试验历程

表3 S25地面试验历程

二、首飞失利后的系统升级改进

2023年4月20日，SpaceX在星基地对超重-星舰进行了首次轨道试飞。火箭起飞时，3台发动机未能点火；起飞后，又有多台发动机出现工作异常，速度、高度严重偏离飞行剖面；在飞行约4min火箭发生爆炸解体。

经过为期四个半月的调查，美国联邦航空管理局（FAA）确定了发射失利的“多个根本原因”，以及SpaceX公司“必须采取的63项整改措施”，见附表1。随后，SpaceX官方公布造成超重-星舰首次轨道试飞失利的原因是超重助推级尾部发生推进剂泄漏，并引发了火灾，火灾切断了主飞行计算机的连接，导致了与助推级多台发动机的通信中断，并最终导致了火箭失控。

SpaceX公司根据首次综合试验中得到的试验数据，以及FAA提出的改进意见，对超重-星舰和地面设施进行了大量的升级改进。

（一）箭上设计改进

1.级间分离更改为热分离技术

超重-星舰原来依靠旋转抛洒的冷分离方案，在超重助推级主发动机关机前，喷管摆动，使超重-星舰运输系统绕俯仰轴旋转，然后超重推进级主发动机关机，解除级间连接。依据角动量守恒原理，解除连接后的星舰与超重推进级将以不同的角速度绕各自质心旋转。

解锁时刻，星舰的质量远大于超重推进级的质量，因此，超重推进级的角速度将明显大于星舰的角速度，从而实现分离。整体过程类似于猎鹰9火箭上面级批量部署星链卫星的方式。而且，分离后超重助推级还能够顺势进行翻转，调整姿态，为返回再入做好准备。不过，上述方式在超重-星舰首次飞行试验验证中遭遇失利，因此，SpaceX放弃了上述方式，改用了热分离方案。

“热分离技术”是指在星舰飞船级与超重助推级分离前，星舰飞船级发动机就点火启动，之后星舰飞船级与超重助推级之间的连接再解锁，星舰飞船级发动机尾流作用到超重助推级顶部的推力可以达成级间分离的目的。热分离期间，一子级仍有部分发动机保持点火工作，并处于节流状态。SpaceX表示，利用热分离方案能够进一步将系统的运载能力提高约10%。热分离技术广泛应用于俄罗斯火箭和美国早期的大力神2等火箭。

为实现热分离，SpaceX在超重B9助推级顶部安装了新的热分离部段，SpaceX也将其称为通风式级间段。超重-星舰的总高度也因此增加至约121m（此前为120m），该部段有两个作用：一是将废气向外引流，二是为超重助推级顶部提供防护。热分离部段主要由侧面通风口和不锈钢底部组成，其底部经过加固，以承受热分离期间猛禽发动机在其上方点火所产生的力热载荷。采用这种结构主要从易实现和性能两方面考虑。

任务中，星舰飞船级的发动机点火启动后，热分离部段顶部与星舰飞船级之间的连接装置就会解锁，在热分离状态下，飞船将始终处于加速状态。该部段在安装前完成了系列试验，包括利用名为“罐头破碎机”（Can crusher）的模拟器，模拟火箭在上升过程中的应力。

图5 热分离部段

2.升级自主飞行中止系统（AFTS）

针对在首次验证飞行中，超重-星舰在飞行失控后其自主飞行中止系统未能第一时间启动自毁的问题，SpaceX采取的措施主要集中于系统的改进和试验等方面，并在设计过程中纳入额外的审查。

3.改用电动推力矢量控制（TVC）系统

首飞的B7助推级上，控制内圈13台发动机采用液压驱动的TVC，需要配备液压动力装置（Hpus）；而本次飞行试验的B9助推级则采用电动TVC，取消了液压动力装置，系统大幅简化，比原来的液压系统更可靠、更节能。马斯克称，这项改变将减少大约1t以上的结构质量。

图6 使用液压动力装置的B7（左）对比使用电动TVC的B9（右）

4.提高发动机热防护和防火性能

在首次飞行试验中，3台发动机在起飞时未能启动，2台在飞行过程中关闭，另1台则忽明忽暗。SpaceX表示故障主要原因在于超重助推级发动机舱的动力系统故障。为了解决上述问题，SpaceX的改进措施集中在发动机热防护、防火性能和发动机关机逻辑等方面。

从B9助推级操作现场的照片来看，这次发动机舱所有线束都被包裹，喷涂的黑色涂料可能是防火涂料，或者是类似聚脲的强化涂料。此外，在猛禽发动机可靠性改进方面，有3个长期改进项，集中在液氧阀门设计、阀门密封结构、歧管设计方面，因此推测在首次发射中猛禽发动机的液氧阀门或存在泄漏。

SpaceX决定为超重助推级增加更多热防护，这样一来也就增加了结构质量，这也可能是SpaceX最终决定采用热分离的原因之一。

图7 增加发动机热防护

图8 B9助推级发动机舱热防护得到显著改善

5.采取助推级泄漏缓解措施

针对超重-星舰首飞过程中出现的推进剂泄漏问题，SpaceX为超重助推级采取了“泄漏缓解措施”，同时在助推级发动机舱中增加了灭火系统，灭火能力提高15倍。改进措施包括：替换密封件、更改结构设计、用焊接替代某些机械连接（螺栓等）、更换高强度螺栓，以及加强泄漏监测，尤其是增加了90多个摄像头进行监测。

在助推级可靠性改进方面采用的措施包括：增加传感器，更换螺栓，改进密封设计。电气系统方面，明确改进电缆的隔热措施、防火包覆、传感器可靠性改进、万向节润滑改进、增设备份线束。此外，针对未来发射任务，要求重新设计电气系统的“网络结构”，具体原因和目的尚不明确。

6.其他改进

除上述官方公布的改进外，从星基地现场还观察到以下升级：

（1）助推器“脊骨”（chine）。与B7助推级的脊骨相比，B9助推级的脊骨明显更宽、更长，内部安装了更大更长的高压气瓶，据推测这是为了提高发动机舱的防火能力。

（2）推力圆盘。SpaceX对B9助推级的推力圆盘设计进行了优化，铣削的部分增加，进一步减重。

（3）栅格舵。在栅格舵外表面上增加了额外的加固板，有可能是为了增加栅格舵的抗翘曲强度。

图9 B7助推级“脊骨”（左）与B9助推级“脊骨”（右）对比图

图10  B7助推级推力圆盘（上）与B9助推级推力圆盘（下）对比图

图11 B9助推级栅格舵

（二）发射场地面设施

1.增加发射台喷水降噪系统

在首飞试验中，发射台遭到破坏，扬起的灰尘和沙石对周围环境造成了不利影响，这也是导致星舰第二次试飞资格认证在环境审查环节被美国鱼类和野生动物管理局（FWS）诟病的主要原因。

为此，SpaceX对发射台进行了升级，在星舰轨道发射架下安装了水冷钢板和喷水降噪系统，该系统能够在助推级点火时以一定角度向上喷水，部分抵消起飞时发动机产生的热流和噪声，避免对混凝土和钢结构造成破坏。该系统运行需要约1366.5t水，每次运行后，废水将通过集水系统回收至储水罐。此外，SpaceX还对发射台区域雨水进行收集，用于进一步补充储水罐。

图12 超重-星舰发射台的喷水降噪系统

将B7助推级和B9助推级的静点火试车过程进行对比可以看到，在安装了喷水降噪系统的发射台上进行静点火试车时，火焰的亮度明显降低，发动机关机后产生的白色水蒸气云与此前的大量烟尘形成了鲜明对比，证明了该系统的有效性。

图13 B9助推级（左）、B7助推级（右）静点火试车画面对比

2.储罐区扩建

SpaceX对在首飞中受损的储罐外壁进行修复和加固，并对储罐区进行了扩建，在甲烷储罐旁边的空地上增加了新的地基，便于后续增加更多的卧式储罐。卧式储罐将采用现成的商用储罐，与垂直储罐相比更容易屏蔽和维护。

图14 发射场储罐区扩建示意图

三、未来动向

（一）推进原型机的制造，加快更新换代

SpaceX已将超重-星舰的第三次轨道飞行申请提交给美国联邦航空管理局（FAA），计划于2023年12月1日至2024年2月23日进行。当然，最终实际情况要根据第二次飞行的最终调查结果进行调整。

超重-星舰的制造装配仍在快速推进，包括6个超重助推级和8个星舰飞船级处于制造、装配和试验的不同阶段。

超重助推级方面，B10、B11、B12的主体结构已经基本完成总装，但尚未安装发动机舱段，其中B10和B11分别完成4次和1次低温推进剂加注试验。B13、B14和B15处于部段制造装配过程中。

图15 6个处于不同装配制造和试验阶段的超重助推级

星舰飞船级方面，S26、S28、S29、S30、S31已经基本完成主体结构的制造装配，S26和S28已经安装了部分猛禽发动机，其他3个处于部段的装配制造过程中。其中，SpaceX针对S28热防护系统做了大量工作，这表明SpaceX可能希望利用S28顺利再入大气层。星舰原型机的装配效率不断提高，星舰S31的组装仅用了33天，同时，距星舰S30完工仅47天。

图16  8个处于不同装配制造和试验阶段的星舰飞船级

（二）改变星基地生产设施布局，提高生产能力

为了迎合高速的试验节奏，SpaceX正在重新配置星基地的生产设施，拆除旧建筑，并准备增加装配厂房容量，同时，正在建设一个新的组装工厂。星基地生产设施的布局变化将持续到2024年。据SpaceX执行总裁格温·肖特维尔称，星基地工厂建设完成并全部投入运行后，预计每周能够生产3个星舰飞船级。

（三）使用第三代猛禽发动机进一步提升性能

SpaceX持续推进猛禽发动机的升级改进工作，2023年5月，已完成第三代猛禽发动机（猛禽V3）的热试车，试验中燃烧室压力达到了35MPa，并且在这样的燃烧室压力下发动机稳定持续工作了45s左右，对应发动机推力则达到了269t。猛禽V1的推力为185t，猛禽V2的推力为230t，猛禽V3比猛禽V2推力高出17%左右。

随着猛禽发动机的升级，超重-星舰的性能也将进一步提升，未来配备33台猛禽V3的超重助推级将能够产生8878t的总推力，超重-星舰在一次性使用状态下运载能力可达300t，重复使用状态下为180t。

四、总结分析

（一）升级改进措施有效，试验目标部分达成

针对首飞中暴露的问题，SpaceX重点对超重助推级和地面发射设施进行了升级，因此本次试飞的重点和难点主要集中在对助推级和热分离等技术的验证上。虽然最终超重助推级在分离后快速计划外解体，星舰飞船级可能触发了飞行中止系统，但更应该看到，在飞行中超重助推级33台猛禽发动机全部点燃，并持续工作，热分离成功，星舰飞船级6台发动机长程点火，发射台经受住了起飞力热环境考验，这些表现与其首飞相比有显著提高，证明了首飞后改进措施的有效性，此次试验目标部分达成。

（二）航天事业需要积极进取的精神和大胆的创新

超重-星舰在短期内提升设计可靠性，得益于SpaceX积极进取的精神和大胆的创新。在SpaceX公司的工程理念中，“唯一需要遵循的原则就是物理学定律能推导出来的规则，其他一切都只是建议”，因此，比起依赖地面测试，SpaceX更愿意接受试飞期间的风险，与传统研发模式相比，这样做能够更快速地发现问题、解决问题。正是如此，SpaceX才能根据首次试飞中获取的大量实测数据，对超重-星舰进行了一千多项升级改进。

（三）利好美国未来空间能力建设布局

航天运输能力是空间能力建设的基础。未来，超重-星舰在一次性使用模式下的运载能力可达300t，在重复使用模式下的运载能力可达180t，其应用前景广阔，不仅能够支撑构建SpaceX自己的星链低轨巨型星座，而且还得到美政府和军方的广泛支持，达成包括基于超重-星舰的月球载人运输能力、小行星探测构架、火箭货运能力等的多项合作，还在与NASA等机构探讨发射更大的太空望远镜。特别是，NASA在超重-星舰系统上投资高达40亿美元，目标是让美国人在5年内重返月球。随着超重-星舰快速迭代，当其投入使用后，美国空间设施将会出现急速扩张的态势，其太空能力也将进一步领先全球。

附表1  FAA要求整改项目列表：

本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：龙雪丹、杨开、王林（北京航天长征科技信息研究所）、褚洪杰（中国航天科技集团有限公司）